近日，中國科學技術(shù)大學崔林松教授團隊與英國劍橋大學Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大學柳淵教授合作，提出了高色純度深藍色有機發(fā)光材料設(shè)計新策略，開發(fā)了一系列色純度接近BT.2020藍光標準的高效深藍色發(fā)光材料，在深藍色有機電致發(fā)光二極管（OLED）色純度和效率方面實現(xiàn)新的突破，有望解決未來4K/8K超高清顯示技術(shù)領(lǐng)域藍光色純度的重要瓶頸。相關(guān)研究成果以《Excited-state Engineering Enables Efficient Deep-blue Light-emitting Diodes Exhibiting BT.2020 Color Gamut》為題，于2024年4月10日在線發(fā)表于期刊《Advanced Materials》上。

OLED作為新一代顯示技術(shù)，具有自發(fā)光、高分辨率、高柔性、低功耗和超輕薄等諸多優(yōu)勢，在智能手機、智能穿戴設(shè)備以及VR等產(chǎn)品的屏幕上得到廣泛應用。發(fā)光材料是OLED器件的核心，對器件的發(fā)光性能，包括發(fā)光效率、色純度和器件壽命等方面有著重要影響。因此，設(shè)計和開發(fā)高性能有機發(fā)光材料一直是OLED領(lǐng)域的研究重點和難點。其中，藍光材料的開發(fā)尤為關(guān)鍵，因為它不僅能提供顯示和照明所需的藍光，還可以通過能量轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生紅光和綠光。當前，顯示技術(shù)的目標是實現(xiàn)BT.2020超高清色域標準，該標準規(guī)定了藍光的標準色坐標（CIE）為（0.131, 0.046），以滿足4K/8K超高分辨率顯示的需求，這對藍色發(fā)光材料的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。

研究團隊創(chuàng)新性地提出了高色純度深藍色OLED材料設(shè)計新策略，即將多個咔唑給體基團引入到多重共振（MR）型電子受體單元中，形成雜化的長程和短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)�；�于此策略設(shè)計的藍光分子不僅具有短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)窄譜帶發(fā)射的特征，而且引入的長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)有利于降低分子的單/三線態(tài)能級差，從而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見圖1）。

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圖1.深藍光TADF分子的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)發(fā)射光譜

理論計算結(jié)果進一步表明，MR型電子受體單元表現(xiàn)出短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)特征，而多個咔唑給體基團的引入形成了長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)。其中，短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)能夠有效抑制分子激發(fā)態(tài)下的結(jié)構(gòu)弛豫，從而實現(xiàn)深藍光的窄帶發(fā)射；而長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)則能進一步減小分子的單/三線態(tài)能級差，同時增強單/三線態(tài)之間的自旋軌道耦合，進而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見圖2）。相關(guān)ISC和RISC過程通過瞬態(tài)吸收光譜得到了進一步驗證（見圖3）。此外，對于MR型電子受體單元，其剛性且平面的結(jié)構(gòu)易在高濃度摻雜時發(fā)生堆積，產(chǎn)生較強的分子間相互作用，最終導致分子發(fā)光的紅移與展寬。然而，在此策略中，多個咔唑給體基團的引入帶來了大的位阻效應可以有效抑制MR受體單元的堆積，使該分子在高摻雜濃度下依然保持深藍光窄帶發(fā)射。

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圖2.深藍光TADF分子的理論計算結(jié)果

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圖3.深藍光TADF分子的瞬態(tài)吸收光譜

最終，基于5Cz-BO分子制備的OLED器件實現(xiàn)了22.8%的最大外量子效率，其CIE值為（0.163, 0.046），CIEy值已非常接近目前的BT.2020藍光標準，從而在效率和色純度方面實現(xiàn)了深藍光OLED器件的新突破。同時，由于5Cz-BO具有較高的反向系間竄躍速率，可以作為敏化劑使用，最終敏化器件的最大外量子效率高達33.1%，使深藍光敏化器件表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Γㄒ妶D4）。

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圖4.深藍光OLED器件的結(jié)構(gòu)與性能

中國科學技術(shù)大學博士研究生安芮芝以及劍橋大學孫雨琦博士為本論文的共同第一作者，中國科學技術(shù)大學崔林松教授、英國劍橋大學Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大學柳淵教授為本論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學技術(shù)大學“雙一流”專項基金、中國科學技術(shù)大學微納研究與制造中心、中國科學技術(shù)大學理化科學實驗中心以及中國科學技術(shù)大學超級計算中心等支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202313602