电子科大&苏大 Adv. Funct. Mater.：氢键辅助的激基复合物发射体实现了高效率且稳定的OLED

【背景介绍】

自2012年以来，激基复合物在有机发光二极管（OLEDs）中的应用受到了人们的广泛广泛的研究。由于其分子间的电荷转移跃迁在供电子和受电子分子（D和A）间形成，激基复合物的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）分别位于D和A分子上。因此，激基复合物本征上在最低单重态和三重态（S₁和T₁）能级之间具有极小的能级带隙（ΔE_sts），进而通过有效的反系间窜越（RISC）过程利用非辐射跃迁的三重态激子发光。相比于单分子TADF发射体，激基复合物发射体具有独特的优势, 如不需要主体、载流子迁移率可控、方便载流子注入等。所以，最近几年大量的研究学者致力于提高激基复合物发射体的性能。一般来说,传统的激基复合物处于激发态（S₁^E和T₁^E）辐射跃迁往往过程包含S₁^E的瞬发荧光（DF）和T₁^E的延迟荧光（DF）两个过程。同时，由于其组成成分（D和A）之间易于发生分子间或分子内的旋转和振动，从而产生严重的非辐射跃迁。显而易见，有效的避免非辐射跃迁，是发展高性能激基复合物发射体最有潜力方法之一。

【成果简介】

近日，电子科技大学郑才俊研究员和苏州大学张晓宏教授（共同通讯作者）等人报道了一种通过在供电子和受电子构成分子（D和A）之间引入分子间氢键（HB）来抑制激基复合物发射体的非辐射跃迁的新型策略，从而来提高其在OLEDs中的效率和稳定性。作者以1, 3-二（10H-吩恶嗪-10-基）苯（13PXZB）为供体，4, 6-二（3, 5-二（吡啶-4-基）苯基）-2-甲基嘧啶（B4PyMPM）、4, 6-二（3, 5-二（吡啶-3-基）苯基）-2-甲基嘧啶（B3PyMPM）和4, 6-二（3, 5-二（吡啶-2-基）苯基）-2-甲基嘧啶（B2PyMPM）为受体构建了三种激基复合物发射体。其中，具有分子间HBs最多的13PXZB: B4PyMPM，显示出的光致发光量子产率（Φ_PL）最高达到69.6％和最低的三重态激子非辐射过程速率常数（k_nr^T）为3.4×10⁵ S^-1）。同时，在OLEDs中，使用13PXZB: B4PyMPM和13PXZB: B3PyMPM的最大外部量子效率（EQEs）分别为14.6％和10.0％，分别是EQE为6.2％的13PXZB: B2PyMPM的2.3和1.6倍。此外，D和A分子之间的分子间HB有利于提高激基复合物发射体的电致发光（EL）稳定性。此外，13PXZB: B4PyMPM的半衰期（LT₅₀）分别是比13PXZB: B3PyMPM和13PXZB: B2PyMPM的4.8倍和8.2倍。总之，该工作不仅证明了D和A分子间的HBs可以改善激基复合物发射体的性能，而且为研制高效稳定的激基复合物发射体开辟了一条新的途径。研究成果以题为“Hydrogen-Bond-Assisted Exciplex Emitters Realizing Improved Efficiencies and Stabilities in Organic Light Emitting Diodes”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、激基复合物发射体以及相对辐射和非辐射过程的Jablonski能量图

图二、激基复合物的构成分子结构及其构成材料的发光/PL光谱
a）13PXZB、B4PyMPM、B3PyMPM和B2PyMPM的分子结构；

b）在固态薄膜中13PXZB: B4PyMPM及其初始材料的吸收光谱和PL光谱；

c）在固态薄膜中13PXZB: B3PYMPM及其初始材料的吸收光谱和PL光谱；

d）在固态薄膜中13PXZB: B2PyMPM及其初始材料的吸收光谱和PL光谱。

图三、在固态薄膜中三种激基复合物及其构成材料的FT-IR光谱
a）具有不同重量比（8: 2、7: 3和5: 5）的13PXZB: B4PyMPM及其构成成分，波数为2900-3150 cm-1；

b）具有不同重量比（8: 2、7: 3和5: 5）的13PXZB: B3PyMPM及其构成成分，波数为2900-3150 cm-1。

c）具有不同重量比（8: 2、7: 3和5: 5）的13PXZB: B2PyMPM及其构成成分，波数为2900-3150 cm-1。

图四、关键原子的平均静电势（ESP）统计数据
a）13PXZB；

b）B4PyMPM；

c）B3PyMPM；

d）B2PyMPM。

图五、计算的分子间HBs的分子结构
a）B4PyMPM和B4PyMPM；

b）B3PyMPM和B3PyMPM；

c）13PXZB和B4PyMPM；

d）13PXZB和B3PyMPM。

图六、基于三种激基复合物构成OLEDs的性能
a）电流密度-亮度-电压特性；

b）EQE-亮度图；

c）基于13PXZB: B4PyMPM、13PXZB: B3PyMPM和13PXZB: B2PyMPM的重量比为7：3的OLEDs的EL光谱。

图七、不同激基复合物构成OLEDs的寿命曲线

【小结】

综上所述，作者提出了一种通过在D和A分子之间引入分子间HBs来提高激基复合物发射体性能的新策略。文中，作者构造了13PXZB: B4PyMPM、13PXZB: B3PyMPM和13PXZB: B2PyMPM三种激基复合物发光体。根据DFT计算和FT-IR测量的结果，预测13PXZB: B4PyMPM在D和A分子之间的分子间HBs比13PXZB: B3PyMPM多，而13PXZB: B2PyMPM之间不能形成分子间HBs。因此，在三种激基复合物发射体中，13PXZB: B4PyMPM的Φ_PL最高为69.6％，最低k_nr^T为3.4×10⁵ S^-1。在OLED中，13PXZB: B4PyMPM的最大EQE为14.6％，明显高于其他激基复合物发射体。同时，13PXZB: B4PyMPM基OLED的LT50分别是13PXZB: B3PyMPM基和13PXZB: B2PyMPM基OLED的4.8和8.2倍。此外，对比13PXZB-和13AB-基激基复合物发射体之间的性能，发现HB-辅助激基复合物发射体的性能得到了改善，主要是因为D和A分子之间的分子间HBs。该研究结果表明HB-辅助激基复合物发射体的优越性，为开发高效且稳定的激基复合物发射体提供了一条新途径。

文献链接：Hydrogen-Bond-Assisted Exciplex Emitters Realizing Improved Efficiencies and Stabilities in Organic Light Emitting Diodes. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202010100.

1、团队介绍：本工作研究团队一直致力于有机光电材料相关领域研究，主要从事有机光电材料的设计，合成和制备高效的有机电致发光器件，发展和完善了热激活延迟荧光激基复合物的发光机制和器件性能。

2、团队在该领域工作汇总：

近年来，在基于热激发延迟荧光激基复合物OLED方面取得一系列研究成果。

1. Prediction and Design of Efficient Exciplex Emitters for High-Efficiency, Thermally Activated Delayed-Fluorescence Organic Light-Emitting Diodes, Adv. Mater., 2015, 27, 2378–2383;

2. Nearly 100% Triplet Harvesting in Conventional Fluorescent Dopant-Based Organic Light-Emitting Devices Through Energy Transfer from Exciplex, Adv. Mater., 2015, 27, 2025–2030;

3. Novel Strategy to Develop Exciplex Emitters for High Performance OLEDs by Employing Thermally Activated Delayed Fluorescence Materials, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 2002–2008;

4.Tricomponent Exciplex Emitter Realizing over 20% External Quantum Efficiency in Organic Light‐Emitting Diode with Multiple Reverse Intersystem Crossing Channels, Adv. Sci., 2019, 6, 1801938

5. Novel small-molecule electron donor for solution-processed ternary exciplex with 24% external quantum efficiency in organic light-emitting diode, Mater. Horiz., 2019, 6, 1425-1432.

6. Thermally activated delayed fluorescence exciplex emitters for high-performance organic light-emitting diodes, Mater. Horiz., 2021, DOI: 10.1039/D0MH01245A.

7. Hydrogen‐Bond‐Assisted Exciplex Emitters Realizing Improved Efficiencies and Stabilities in Organic Light Emitting Diodes, Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202010100.

3. 相关优质文献推荐

最近发表的文献推荐:

1. Thermally activated delayed fluorescence exciplex emitters for high-performance organic light-emitting diodes, Mater. Horiz., 2021, DOI: 10.1039/D0MH01245A;

2. Tricomponent Exciplex Emitter Realizing over 20% External Quantum Efficiency in Organic Light‐Emitting Diode with Multiple Reverse Intersystem Crossing Channels, Adv. Sci., 2019, 6, 1801938

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.