苏州大学蒋佐权、廖良生教授团队：π-堆叠螺芴材料实现高效白光照明

为有效解决有机发光二极管（OLED）中普遍存在的大亮度下效率滚降问题，苏州大学功能纳米与软物质研究院蒋佐权教授、廖良生教授基于π-堆叠分子策略设计合成了可应用于OLED照明的新型螺环类主体材料，并制备了结构简单、高效稳定的红绿蓝三基色（RGB）及白光OLED，其最大外量子效率（EQE）分别达到28.4%、26.0%、31.2%和32.9%。其中，在实用亮度1000 cd/m²情况下，白光器件的功率效率（PE）依旧保持在94.7 lm/W，是目前报道的、在不采用光提取技术条件下第一个达到并超过节能荧光灯发光效率（70 lm/W）且为单主体的白光OLED。

目前我国主要使用的照明产品依旧是含有汞的荧光灯，但其体积大、显色差、频闪严重、电磁干扰大等缺点难以克服，其偏低的光电转化效率也带来了巨大的能量浪费，大部分的电能被转变成热能消耗。在节能减排、绿色环保被日益重视的当今社会，寻找更加低耗高效的照明方式成为全社会共识之一。点光源高亮度特点的发光二极管（LED）和面光源光色可调的OLED已成为新型低耗高效固态光源的典型代表并形成了完美互补的照明体系。OLED超轻超薄、柔性可塑、光谱可调的优异特性，在汽车、飞机等交通工具的内饰照明、安全提示、工业生产以及可穿戴衣物安全警戒提示等方面有巨大的应用空间。目前，达到并超过荧光灯的效率是OLED作为照明技术得到普及的前提条件（广泛使用的荧光灯在实用亮度为1000 cd/m²下，功率效率约为70 lm/W）。尽管一些报道已经达到这个目标，然而其中大部分借助了工艺复杂、制备繁琐的光提取结构，这些光提取结构还面临制作成本高、成品率低，技术还不够成熟等诸多问题，给OLED固态照明的进一步推广应用增加了一定难度。若能实现OLED（无光提取结构）在实用亮度下的功率效率达到或超过荧光灯效率，将大幅度减少OLED的生产成本，提高OLED照明技术的可靠性，极大地推动OLED的实际应用。

最近，蒋佐权教授、廖良生教授通过在芴的C1和C9位置引入三苯胺（TPA）基团，设计并合成了一种新型的高度扭曲和结构不对称的π-堆叠型螺芴主体材料Spiro-2TPA。该化合物具有典型的螺环结构，热稳定性高、前线轨道能级适宜、分子堆积方式合理、最低三线态能级（T1）高。该分子设计策略的创新点在于通过对芴的C9位衍生螺环功能化之后，再在芴上的C1位点引入给体或者受体进行衍生，可构建性能优异的主体材料。特别的，他们将TPA基团修饰在芴的C1位，设计合成了新的RGB通用型螺环类主体材料Spiro-2TPA，并合成了对比材料2Ph-2TPA（图1）；和Spiro-2TPA相比，虽然2Ph-2TPA的分子结构极为类似，但是分子缺乏螺环结构，丧失了分子刚性。分子晶体堆积模型中发现，Spiro-2TPA堆积密度是2Ph-2TPA的两倍，这很可能对主体的载流子传输能力产生影响。而电学测试证实了这一点，具有螺环结构的主体相比于没有螺环结构的主体在空穴与电子载流子传输率上都明显领先。分子模拟表明二者在空穴和电子分布也完全不同，前者具有明显分离的HOMO/LUMO，后者则有较大的交叠，暗示着螺环主体有利于削弱器件运行中的三线态-极化子淬灭。

图1. 2Ph-2TPA和Spiro-2TPA的合成方法。

Spiro-2TPA具有高的T1能级、优异的热稳定性和平衡的载流子传输能力，能够用于制备结构简单、高效稳定的RGB三基色OLED。当Spiro-2TPA作为通用型主体时，基于其制备的RGB磷光OLED（PHOLED），最大EQE分别达到28.4%、26.0%和31.2%，远高于基于对比材料2Ph-2TPA的相应器件性能。同时，Spiro-2TPA作为主体材料能够有效解决OLED中普遍存在的大亮度下效率滚降问题，基于Spiro-2TPA的RGB器件在高驱动电流密度下依然保持了非常高的器件性能（图2）。特别的，在1000 cd/m²的工作亮度下，蓝光器件的电流效率（CE）、功率效率（PE）和EQE分别达到58.3 cd/A、50.0 lm/W 和29.8%。与最高的器件效率（61.0 cd/A、69.4 lm/W和31.2%）比较，EQE的滚降仅为4.5%，充分显示出Spiro-2TPA作为主体材料的优越性。

图2. 基于Spiro-2TPA（B1、G1、R1）和2Ph-2TPA（B2、G2、R2）的RGB OLED的器件性能。（a,b）器件结构和能级示意图；（c,d）RGB器件的J-V-L曲线；（e,f）RGB器件的CE-J-PE曲线；（g,h）RGB器件的EQE-J曲线（插图：电流密度为5 mA/cm²的电致发光光谱）。

进一步，基于Spiro-2TPA的暖白光OLED（WOLED）获得了109.5 cd/A的CE、109.1 lm/W的PE和32.9%的超高EQE（图3），且在1000 cd/m²的实用亮度下PE能够维持在94.7 lm/W。值得注意的是，该结果是目前所报道的单主体WOLED中的最高值，也是第一个达到并超过节能荧光灯发光效率（70 lm/W）且为单主体的WOLED器件（不应用额外光提取）。CE-L-PE曲线可以看出，基于Spiro-2TPA的白光器件W1-W4在高亮度下都具有极低的效率滚降。特别是在1000 cd/m²亮度下，W1-W4分别达到了59.6、72.5、84.2和94.7 lm/W的高功率效率。W1-W4的最大EQE分别为26.1%、27.3%、30.8%、32.9%，其在1000 cd/m²亮度下滚降仅为约0.4%、0.7%、0、0.8%。因此，Spiro-2TPA作为主体材料在维持器件低电压、减少激子湮灭、降低效率滚降等方面具有巨大优势，同时也反应出主体材料在实现器件高亮度、高效率的重要作用。

图3. 基于Spiro-2TPA（W1-W4）和2Ph-2TPA（W5-W8）的WOLED的器件性能。（a,b）器件结构和能级示意图；（c,d）W1-W8的J-V-L曲线；（e,f）W1-W8的CE-L-PE曲线；（g,h）W1-W8的EQE-L曲线。

论文共同第一作者是硕士生张园览和博士生阳生熠，共同通讯作者为苏州大学廖良生教授和蒋佐权教授，该工作也得到了武汉大学钟成副教授的协助。详见：SCIENCE CHINA Chemistry, 2022, doi: 10.1007-s11426-022-1382-5。本文将收录于Science China Chemistry 2022 Emerging Investigator Isuue。

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