【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】用于超高清顯示技術的有機發(fā)光二極管(UHD-OLED)對其發(fā)光材料的光譜寬度需求由較高要求，光譜窄化這一技術瓶頸的解決是滿足廣色域(BT.2020)行業(yè)顯示標準的關鍵，并可以借此顯著提升終端顯示效果。窄帶多重共振型熱激活延遲熒光(MR-TADF)材料作為當前顯示終端材料端口的高效解決方案，在過去十年間取得了顯著進展。盡管現(xiàn)有大多數(shù)MR-TADF材料能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的窄帶發(fā)射(半峰寬FWHM< 50 nm)，但能夠?qū)崿F(xiàn)FWHM小于20 nm的超窄帶發(fā)射的材料仍屬罕見，且這些材料幾乎僅限于藍光至綠光區(qū)域，難以覆蓋長波長范圍。此外，超窄帶長波長發(fā)光材料領域缺乏高性能的分子設計框架，因此，如何同時實現(xiàn)光譜窄化與紅移已成為學術界和工業(yè)界亟待突破的核心難題。
圖1. 研究背景以及分子設計策略
現(xiàn)有研究主要通過兩種策略調(diào)控分子光譜(圖1a)，即延伸共振體系或引入強給/吸電子基團。但這些策略難以與光譜窄化高效協(xié)同：常規(guī)的共振延伸難以兼具大幅紅移與分子軌道的精細化控制；并苯類的純共軛延伸容易破壞MR效應，導致TADF性質(zhì)喪失；引入強給/吸電子基團常導致分子剛性降低、振動弛豫增強，并誘發(fā)長程電荷轉(zhuǎn)移(LRCT)特性，即便在剛性架構內(nèi)，也無法避免體系內(nèi)LRCT的出現(xiàn)。這些因素最終導致材料發(fā)射光譜不可避免地展寬，使得實現(xiàn)兼具長波長與超窄帶發(fā)射的分子設計極具挑戰(zhàn)性。
近日，化學化工學院鄭佑軒課題組在長波長超窄帶發(fā)光材料領域取得了重要突破。他們通過在四氮雜環(huán)烷框架中精準嵌入兩個硼原子，創(chuàng)新性地構建了一種長波長超窄帶分子框架，并由此衍生出一種超窄帶黃光發(fā)射材料(HBN，圖1b)。
圖2. HBN分子的光物理性質(zhì)
實驗結(jié)果顯示，與四氮雜環(huán)烷前體相比，雙硼嵌入實現(xiàn)了高達165 nm的發(fā)射光譜紅移(圖2)。同時，HBN在甲苯稀溶液中表現(xiàn)出572 nm的超窄帶黃光發(fā)射，光譜的FWHM只有17 nm，而在正己烷中發(fā)射光譜的FWHM進一步縮窄至12 nm，刷新了當前中長波長區(qū)域的窄光譜紀錄。
圖3. HBN分子理論計算
理論計算表明，HBN分子具有高度對稱和平面的分子結(jié)構(圖3a)，HOMO與LUMO軌道同樣具備對稱性(圖3b)。其低結(jié)構重組能(0.17 eV)表明分子具有較低的結(jié)構弛豫特性(圖3c)。此外，HBN的理論單三線態(tài)能級差(ΔEST = 0.23 eV)也與實驗值(0.22 eV)高度吻合(圖3d)。進一步的理論電子-空穴分析表明，電子-空穴中心間距(D指數(shù))的增加會顯著影響發(fā)射光譜的半峰寬，特別是在純紅光區(qū)域，這一現(xiàn)象揭示了LRCT性質(zhì)對材料光譜的關鍵影響(圖3e)。
圖4. 基于HBN分子的OLED器件性能
基于HBN分子的非敏化器件D1實現(xiàn)了580 nm的窄帶電致發(fā)光(FWHM：24 nm)及26.7%的最大外量子效率(EQEmax)，但存在效率滾降問題。通過優(yōu)化OLED器件的結(jié)構，引入磷光敏化熒光(PSF)結(jié)構后，通過使用銥(III)配合物Bt?Ir(acac)作為敏化劑并優(yōu)化摻雜濃度，PSF器件D4表現(xiàn)出高效率(EQEmax：36.1%)、窄EL發(fā)射(FWHM：25 nm)及低效率滾降的特點，并在高亮度下保持優(yōu)異性能，展示了其在高性能光電器件中的廣泛應用潛力。
該研究成果表明，分子架構與材料性能的精細調(diào)控為超窄帶純綠光至紅光材料的設計提供了重要指導，為實現(xiàn)廣色域顯示技術提供了實驗和理論借鑒。
上述成果發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202421102)，博士研究生胡家俊為論文第一作者，梁嘯博士與晏志平博士為材料測試與理論計算做出了重要貢獻，鄭佑軒教授為通訊作者，左景林教授提供了重要指導。本研究得到了江蘇省自然科學基金(BK20243010、BK20242021)及國家自然科學基金(92256304、U23A20593)的資助。
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