【人物与科研】清华大学段炼教授课题组Angew. Chem. Int. Ed.：多环芳烃稠合多重共振片段构筑超高色纯度染料

导语

多重共振（Multi-Resonance, MR）材料能够兼具窄半峰宽（FWHM＜30 nm）、高辐射跃迁速率（k_r～10^８ s^-1）和热活化延迟荧光（TADF）特性，是未来超高清有机显示器件的热门候选染料之一，引起了研究者的广泛关注。尽管在蓝光区域取得了诸多突破，受限于骨架种类和设计策略，长波区域（波长>520 nm）的超高色纯度MR染料（FWHM＜25 nm）构筑仍十分困难。近日，清华大学段炼教授课题组在该研究领域取得了新突破（Angew. Chem. Int. Ed.  2022, DOI: 10.1002/anie.202202380）。 

段炼教授课题组简介

段炼教授课题组长期从事有机光电材料相关领域研究，提出了热活化敏化发光的新型发光机制，发展了高迁移率的双极性传输材料、基于稳定前驱体的电子注入材料以及高能效的全光色窄谱带染料，为高效稳定的OLED技术奠定了基础。

段炼教授简介

段炼，清华大学化学系教授，有机光电子与分子工程教育部重点实验室主任。1998年本科毕业于清华大学，2003年获得清华大学理学博士学位。长期从事有机光电材料相关领域研究，提出了热活化敏化发光的新型发光机制，发展了高迁移率的双极性传输材料和基于稳定前驱体的电子注入材料，为高效稳定的OLED技术奠定了基础。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Light. Sci. Appl.、Energ. Environ. Sci.等刊物上发表了SCI论文200余篇，引用10000余次，获授权国际国内发明专利150余项，在SID、FPD China等国际国内学术会议上作大会报告和邀请报告50余次。2011年获得国家技术发明一等奖（排名第二）；2015年获国家自然科学基金委杰出青年基金资助；2020年获教育部长江学者特聘教授；2015年至今担任科技部十三五“战略先进电子材料”重点专项专家。课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/duan_Lian

前沿科研成果

多环芳烃稠合多重共振片段构筑超高色纯度染料

有机发光分子的光谱展宽主要是由于基态（S₀）和激发态（S₁）之间的振动耦合以及S₁的结构弛豫导致的。对于特定的振动模式（j）来说，其发光光谱的形状可以由黄-里斯因子（S_j）进行定量，即S_j = (K_j为S₀和S₁的结构位移，ω_j为分子的振动频率)。如图1所示，总发射带宽受所有振动级数强度的影响，即可以通过调控每个模式中获得极小的S_j来实现分子整体的高色纯度（窄半峰宽，FWHM）发光。因此，高色纯度发光调制的关键是同时抑制分子的结构变化和高频振动。

图1. 特定的振动模式j的 Franck-Condon 辐射跃迁曲线：（a）没有结构位移的超窄发射（S_j = 0）；(b) 小S_j下含肩峰的窄光谱发射。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

考虑到目前MR骨架种类和设计策略的局限性，本课题组从具有良好稳定性、极其尖锐主发射峰的传统荧光染料（多环芳烃，PAH）出发，通过稠合MR片段，能够在增加分子刚性、增大分子共轭程度的同时，大大减弱分子的主要振动模式的频率，因此理论上能够极大限度地抑制肩峰的出现，实现高色纯度发光。如图2所示，从吲哚并咔唑基出发，通过乌尔曼偶联在5号N的位置引入可修饰的苯环，增加结构的可调性；再经过与多卤代咔唑（MR片段前体）偶联制备前驱体；然后进行一锅法锂化、硼烷化反应，最终得到新型的超高色纯度绿光MR染料体系BN-ICzs。

图2. 多环芳烃稠合MR片段构筑超高色纯度染料的机制。

 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

目标化合物BN-ICz-1和BN-ICz-2在甲苯溶液中发光波长均为521 nm，同时具有21/22 nm的超窄半峰宽、接近100%的高光致发光效率和10⁸ s^-1的高辐射跃迁速率。其中，（0.16,0.77）的CIE色坐标是目前已知最接近BT2020的超纯绿光发射。以其为染料制备的绿光TSF-OLEDs（热活化敏化器件），最大发光波长和半峰宽分别为523 nm和23 nm。其中，BN-ICz-1(0.22, 0.74) 以及BN-ICz-2（0.21, 0.73）的CIE色坐标同样代表着目前色纯度最高的绿光的底发光器件；此外，高达30%的最大外量子效率（BN-ICz-1:30.5%; BN-ICz-2:29.8%）同样是目前MR-OLEDs的最高性能之一（图3）。

图3. BN-ICzs的光致（a）和电致（b）发光光谱

 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

上述方法为超高色纯度有机染料设计的通用策略，为实现满足BT2020的全光色高能效电致发光提供了新的思路。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202202380），第一作者为清华大学博士后张跃威，李国孟博士为共同第一作者。通讯作者为清华大学张东东助理研究员和段炼教授（论文作者：Yuewei Zhang, Guomeng Li, Lu Wang, Tianyu Huang, Jinbei Wei, Guoyun Meng, Xiang Wang, Xuan Zeng, Dongdong Zhang, Lian Duan）。

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