“π-延展受体”型TADF分子实现结构简化的高效蓝光和白光有机发光二极管 | Cell Press青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第十期（总第94期）专栏文章，由来自中国科学院化学研究所 副研究员 中科院青年创新促进会会员 李猛，就 Chem 中的论文发表述评。

有机发光二极管（OLEDs）因其具有自发光和低能耗等优点，目前已在高端显示领域实现了商业应用。然而，兼具高器件效率和长器件寿命的蓝光材料依然没有实际意义上的突破，这极大地制约了OLEDs的进一步发展。热活化延迟荧光（TADF）材料是一类由Adachi等人率先发展的新一代高效纯有机电致发光材料，这类材料由于具有较小的单-三线态能级差（ΔE_ST），其原本不发光的三线态激子可通过有效的反系间窜越至单线态进行延迟发光，内量子效率可达100%，近年来引起学术界和产业界的广泛关注。TADF材料的发展为兼具高效率和长寿命蓝光材料和器件的突破提供了机会。然而，设计高效稳定的蓝光TADF材料仍然是一个巨大的挑战，尽管迄今为止已有大量关于蓝色TADF材料的报道，但同时实现高效率和长寿命的蓝光TADF寥寥无几。其中，最具代表性的是清华大学段炼-张东东团队发展的多受体型咔唑-苯甲腈类（CzBNs）蓝光TADF材料。通过多咔唑（至少四个）的引入使电荷转移和三重局域激发态可有效地杂化进而实现约20%的外量子效率（EQE）和长的器件寿命。然而，多咔唑的三维结构不利于水平分子取向的调控，从而降低了多受体型CzBNs器件的光取出效率，导致其EQE难以进一步提高。反之，减小给体数量虽然有利于增大分子平面性从而改善发光偶极的水平取向比例（Θ_//）提高了其出光率，但给体数量的减少会显著降低材料的TADF性能，难以实现激子的高效利用。所以，如何兼顾高效率和大Θ_//一直是CzBNs体系，甚至TADF分子材料领域的的重点和难点。

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针对上述问题，近日来自清华大学段炼-张东东团队提出了在具有较少电子给体的CzBNs体系中延伸电子受体的π-共轭程度的设计策略，发展了具有优异水平偶极趋向的高效稳定蓝光氰基/咔唑类蓝光TADF分子，并实现了结构简化的高效稳定蓝光和白光OLEDs。该设计策略不仅对高效稳定蓝光TADF材料的发展提供了有益的参考，也为蓝光TADF材料的产业化应用迈出坚实一步。该文章于3月21日发表在Cell Press旗下旗舰刊Chem上。

▲图1 目标分子的结构式与PPF做OLED主体的器件结构和电致发光性能。（A）器件能级结构；（B）亮度在1000 cd/m²时的电致发光光谱；（C）电流密度-电压-亮度关系图；（D）外量子效率-亮度-功率效率关系图；（E）发光层的p-偏振发光强度随发射角变化的测量值及不同Θ_//下的模拟曲线。

该团队以具有两个给体单元的2PCzBN为模板，通过在氰基对位引入受体基团的π-延展体系开发了2PCzBN-tBu，2PCzBN-Ph，2PCzBN-FPh等三例“π-延展受体”型蓝光TADF分子。该类分子不仅具有较大的平面结构，利于提升其Θ_//，从而提高了器件的光取出效率，还促进了分子LUMO能级分布的离域程度，增强了电荷转移态和局域态之间的耦合，显著提升了材料TADF性能。以2PCzBN-FPh为例，该分子不仅具有454 nm的蓝光发射峰，还表现出97%的高PLQY，84%的大Θ_//，反系间跃迁速率高达10⁶ s^-1，是一类优异的蓝光TADF材料。为了进一步验证“π-延展受体”策略的优越性，如图1所示，作者还将上述分子进行OLED器件的制备。其中，以2PCzBN-FPh作为客体的掺杂型蓝光OLED器件实现了创纪录的35.7% EQE_max，而且还保持了多给体体系的高稳定性，其在1000 cd/m²下的LT95约为10 h，且CIE_y仅0.24，为该光色下最长寿命报道之一。同时，以2PCzBN-FPh作为客体的非掺杂型蓝光OLED实现了27.1%的极高EQE_max，这是非掺杂型天蓝光TADF型OLED的最高记录值。所以，所得“π-延展受体”型蓝色TADF分子（2PCzBN-FPh）是单发射层白光OLED的绝佳主体材料。以其作为主体材料制备的简化型双色和三色白色OLED的外量子效率分别为29.3%和21.1%，CIE坐标分别为（0.37, 0.40）和（0.39, 0.41），显色指数CRI分别为65和83。所得最高性能的蓝色和白色OLED器件也进一步验证了本文分子设计策略的优越性。

▲图2 非掺杂蓝光和白光OLEDs的器件性能。（A）亮度在1000 cd/m²时的电致发光光谱；（B）最大外量子效率-亮度-功率效率关系图

简而言之，该论文提出了在具有较少电子给体的CzBNs体系中延伸受体的π-共轭程度的设计策略，发展了具有大Θ_//的高效稳定蓝光TADF分子，得到了掺杂型和非掺杂型蓝光OLED的器件效率分别为35.7%和27.9%，均创造了记录值。以所得蓝色TADF分子作为主体材料的简化型单发光层双色和三色白色OLED的外量子效率分别为29.3%和21.1%。该工作不仅对高效稳定蓝光TADF材料的发展提供了有益的参考，也为蓝光TADF材料的产业化应用迈出坚实一步。

论文摘要

咔唑-苯甲腈类衍生物（CzBNs）是一类在有机发光二极管（OLED）中具有高效率和高稳定性的蓝色热激活延迟荧光（TADF）材料。然而这类CzBNs材料大多具有多电子给体结构。在该研究中，作者通过在具有较少电子给体的CzBNs体系中延伸π-共轭体系对位末端的共轭程度，发展了一种简单通用的方法来提高CzBNs的光电性能。本文所设计合成的分子不仅通过前线分子轨道电子分布的离域化和激发态间的杂化增强了TADF性质，还通过改善发光偶极的水平取向比例提高了其外部耦合效率。其中概念验证型蓝色TADF分子作为发光客体的单色器件的发射峰为469 nm，最大外量子效率可达35.7%。此外，以所得蓝色TADF分子作为主体材料的简化型双色和三色白色OLED的外量子效率分别为29.3%和21.1%。所得最高性能的蓝色和白色OLED器件验证了本文分子设计策略的优越性。

Carbazole-benzonitrile derivatives (CzBNs) are promising high-efficiency and stable blue thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials in organic light-emitting diodes (OLEDs), which, however, strongly rely on multiple-donor structures. Here, we demonstrate a strategic implementation of extending the acceptor π-system with parapositioned π-conjugation tails in fewer donor structures, producing a simple and versatile approach to enhance performances of CzBNs. This molecular structure not only enhances TADF properties by delocalizing the frontier molecular orbital distribution and facilitating states mixing but also improves outcoupling efficiency from the preferential horizontal emitting dipole orientation. The proof-of-concept blue emitter affords monochromic devices peaking at 469 nm with a remarkable maximum external quantum efficiency (EQE_max) of 35.7%. Furthermore, simplified bicolor and tricolor white OLEDs using the same compound as emitting host achieve impressive EQE_maxs of 29.3% and 21.1%, respectively. The state-of-the-art performances of both blue and white fluorescent devices validate the superiority of this molecular design strategy.

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评述人简介

李猛

中国科学院化学研究所副研究员

中国科学院青促会会员

[e-mail]

李猛，中国科学院化学研究所副研究员，主要从事手性光电材料与器件的研究，在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Sci. China Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文60余篇。申请发明专利19项，已授权10项。2019年入选中科院青年创新促进会会员，2021年获得国家优秀青年科学基金资助。

Meng Li is an associate professor in Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS). His research focused on chiral optoelectronic materials and devices. He has more than 110 peer-reviewed publications on international journals, including Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Sci. China Mater., Chem. Soc. Rev., etc. He applied for 19 invention patents and has been authorized for 10 items. In 2019, he became a member of Youth Innovation Promotion Association CAS. In 2021, he received the National Science Fund for Excellent Young Scholars.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Chem上，

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