高色純度超熒光材料的設計及其在有機電致發光器件中的應用

0 1 引言

有機電致發光器件（OLED）是繼陰極射線管（CRT）和液晶（LCD）之后最有應用前景的第三代平板顯示技術，具有響應速度快、寬視角、可實現柔性及透明顯示等諸多優勢。在OLED研究當中，發光材料的發光效率以及光譜展寬是影響器件性能及發光色純度的關鍵。開發具有高熒光量子產率、高色純度、并同時能夠利用單/三重態激子的熱活化延遲熒光（TADF）材料是OLED發光材料研究當前需要解決的核心問題。目前，在藍光、綠光發光材料方面已經取得了較大的進展，基本滿足商業化應用需求，而紅光TADF的器件效率卻相對滯后，限制了OLED在更多場景中的應用。因此，開發高效率、低滾降的純有機電致紅光TADF材料仍是當前OLED領域的一大挑戰。

MOMAP量化模擬是基于第一性原理計算的結果（包括分子的基態、激發態的平衡位形、以及振動頻率和振動模式），在一階微擾和費米黃金規則基礎上同時考慮HerzbergTeller 效應，因此，在計算發光分子的分子吸收/熒光光譜、磷光光譜、輻射躍遷速率、內轉換速率、和系間竄越速率等與發光效率和光譜形狀相關聯方面具有獨到的優勢。本項目研究是基于文獻已報道的經典紅光TADF材料dpTPAAP（圖1a）為模型參考，通過微調與分子TADF以及發光效率屬性相關聯的各項分子參數，結合MOMAP和Gaussian軟件理論模擬，計算了不同紅光TADF分子的單三線態能極差（ΔEST）、旋軌耦合常數（SOC）、自然躍遷軌道分布、黃昆因子，輻射以及非輻射躍遷速率等數據，從理論的角度闡述了分子結構參數的微調對其振動模式、非輻射躍遷速率、光致發光效率等關鍵指標的影響，為后續設計高效紅光TADF材料提供了重要的借鑒和理論依據。

0 2 成果簡介

在TADF發光材料結構設計當中，與發光效率及激子利用率相關聯的關鍵分子參數，如ΔEST、SOC、振子強度（f）、以及輻射躍遷速率（kr）、非輻射躍遷（knr）振動模式等之間相互耦合，極大的阻礙了材料綜合性能的進一步優化。特別是紅光TADF材料，受限于能隙規則其knr更顯著。鑒于此，本項目基于經典的三芳胺類，具有高f的dpTPAAP紅光TADF分子為模型，通過精細優化給受體之間的π橋（引入萘基，），以及給體外延伸策略（引入苯并二呋喃端基）設計了dpnTPAAP和dbfTPAAP（圖1），以期獲得最佳平衡的各項參數提升器件效率。理論計算表明，相比于dpTPAAP，結構的微調能夠獲得更加平衡的TADF參數。為了進一步研究結構微調策略對發光效率的影響，我們利用MOMAP軟件計算了這三個分子氣態下的黃昆因子（HRF），kr和knr。結果表明，給受體之間的π橋替換為萘基后能夠顯著抑制分子的低頻面外搖擺振動以及高頻面內剪切、扭曲振動（圖2），從而顯著降低其knr（從8.59 * 1010 s-1銳降至2.55 * 1010 s-1），提升熒光量子產率。引入苯并二呋喃端基雖能延伸拓寬給體部分的最高占據態軌道分布，促進分子間電荷轉移態形成，但是此處反而增加了額外的高頻振動。正如理論計算所預期的，結合光物理及器件表征測試結果發現，相比于對比分子dpnTPAAP具有更高的熒光量子產率（86%）和更高的kRISC / kISC比值，以及顯著提升的最大外量子效率（EQE，18.9% @630 nm）。該研究揭示了構筑平衡TADF參數的重要性，以及結合MOMAP軟件如何預測調控，從而進一步指導優化TADF分子結構和最終的器件性能。

03 圖文導讀

圖1、a）分子結構及各項TADF參數計算結果，b）基態最優構性，c）自然躍遷軌道分布及其百分比。

圖2、三個紅光TADF分子在不同振動模式下的HRF數值，a）dpTPAAP，b）dpnTPAAP，和c）dbfTPAAP。

圖3、a）三個發光分子在甲苯溶液中的吸收發射光譜，b）在3%摻雜膜（DMIC-TRz）中的發射光譜，c）純膜狀態下的瞬態發射和穩態發射光譜，d）3%摻雜膜下的變溫瞬態熒光光譜。

圖4、a）電致發光器件結構，b）器件中所涉及材料的化學結構式，以及器件A-D的c）電流-電壓-亮度曲線，d）不同亮度下的功率效率、電流效率曲線，e）不同亮度下的EQE曲線和電致發光光譜。

0 4 小結

為了揭示與發光分子發光效率及電致下激子利用率相關聯的關鍵TADF分子參數之間的內在耦合關系，以及如何通過結構優化平衡各關鍵分子參數，本項目基于結構微調策略，結合MOMAP軟件模擬預測分子氣態下的ΔEST、SOC、f、HRF、以及kr和knr的變化趨勢，并找到合適的平衡點。結合實驗測定的光物理數據，以及最終的器件表征結果發現，相比于經典的對比分子dpTPAAP，通過優化平衡參數后的dpnTPAAP具有更高的熒光量子產率（86%）和更高的kRISC / kISC比值，并相應的表現出更優異的器件性能（EQEmax提升30%）。與理論計算相比，實驗現象及結論能夠與之很好的匹配，該工作為設計高效率的純有機電致紅光材料提供了很好的思路，為進一步指導優化器件性能提供了參考。

審核編輯 ：李倩