吉林大学王悦教授团队Adv. Funct. Mater.：通过异构体策略构建高效红光热活化延迟荧光（TADF）有机发光二极管（OLED）

引言

有机发光二极管（OLED）具有低能耗、广视角、柔性、高对比度等优势，近年来已经成功商业化使用，并逐渐成为主流的平板显示技术。和磷光发光材料相比，不使用贵金属的纯有机热活化延迟荧光（TADF）材料不仅具有成本优势而且能够实现100%的内量子效率，因而被认为是最具潜力的下一代有机发光材料。然而，红光TADF材料的发展还是明显落后于蓝光和绿光，究其原因是因为红光的窄带隙导致非辐射跃迁过程易于发生且红光所需要的强电荷转移（CT）态分子设计与高荧光量子效率（PLQY）往往相互矛盾。因此，如何获得高效的红光TADF材料仍是当前极具挑战的课题。

成果简介

近日，吉林大学王悦教授课题组报道了一种基于异构体工程调控红光TADF材料性能的新策略。通过将9,10-二氢-9,9-二苯基吖啶（DPAC）给体连接在受体核的不同位点并通过扩展受体核π共轭成功合成了两对位置异构体。有趣的是同分异构体之间的PLQY表现出了明显的差异，trans-构象分子T-DA-1和T-DA-2表现出了较高的荧光效率（PLQY）（78和89%），与其对应的异构体cis-构象分子C-DA-1和C-DA-2的PLQY仅为12和14%。通过瞬态荧光寿命测试和进一步的理论计算，我们发现具有cis-构象分子的辐射跃迁过程相对于trans-构象受到了阻碍，这是两者PLQY差距过大的根本原因。另外同分异构体分子在晶体中也展现出了截然不同的排列方式，T-DA-2分子间有较大的π-π相互作用，而C-DA-2几乎没有π-π相互作用，有效的π-π相互作用也能起到抑制非辐射跃迁的效果，这为两者晶体的PLQY差异提供合理的解释。T-DA-2具有高的PLQY和较小单-三重态能级差（0.05 eV），因而其电致发光器件表现出了最佳的性能，最大发光波长位于640 nm，最大外量子效率（EQE）高达26.26%。同时该器件也表现出了低的效率滚降，在亮度100 cd m^-2下仍能保持23.95%的外量子效率（EQE），为相同亮度下红光区域器件的最高值。这项工作为发展具有高发光效率的红光TADF分子提供了重要参考。该成果以“Improving the Efficiency of Red Thermally Activated Delayed Fluorescence Organic Light-Emitting Diode by Rational Isomer Engineering”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。吉林大学王悦教授和李成龙副教授为文章通讯作者。第一作者为吉林大学博士生杨桐。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划以及吉林大学科技创新团队项目的大力支持。

图文导读

注：为了突出同分异构体给体取代位置的不同，作者假定给受体在核心同侧为cis-构象，异侧为trans-构象来方便清晰的讨论。

图1、分子合成路线

同分异构体的分子结构和合成路线。

图2、分子光学性质表征

各分子的吸收曲线、室温荧光光谱、77K下荧光光谱和磷光光谱。

图3、重组能计算

T-DA-1 (a),、T-DA-2 (b),、C-DA-1 (c)和C-DA-2 (d)的最优S₀和S₁态构型、相应构型下的单点能和计算得出的重组能。

图4、晶体结构和分子排列方式

T-DA-1 (a),、T-DA-2 (b)和C-DA-2 (c)的晶体结构和π-π相互作用大小。

图5、电致发光器件性能表征

(a)100cd m^-2亮度下的发光光谱；

(b)电流密度-电压-亮度曲线；

(c)外量子效率(EQE)随亮度变化的曲线；

(d)电流效率和功率效率随亮度变化的曲线。

小结

该工作通过改变给体连接位置和扩展受体核π共轭设计合成了两对红至深红光TADF同分异构体发光材料。有趣的是异构体间表现出的显著PLQY差异，进一步的光物理测试和理论计算表明给受体的位置和晶体中的分子排布对发光性能的差异起到了决定性的影响。基于trans-构象T-DA-2分子的电致发光器件在波长640 nm 处的最大外量子效率（EQE）达到了26.26%并具有较小的效率滚降，是已报道的相同光色红光器件中的最高水平之一。本研究为设计具有高发光效率的红光TADF分子提供了重要参考。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202002681

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