在过去十年中,有机发光二极管(OLEDs)已成为主流显示技术,广泛应用于智能手机、电视、增强现实/虚拟现实设备以及可穿戴电子设备。为了实现符合国际电信联盟无线电通信(ITU-R)部门定义的广播电视2020(BT.2020)彩色标准的超高清(UHD)OLED显示器,能够实现宽色域的窄带有机发光材料是不可或缺的。传统的有机发射体,包括荧光、磷光和热激活延迟荧光(TADF)材料,通常具有宽广的发射光谱,这固有地限制了其颜色纯度,无法满足BT.2020对红、绿、蓝三原色的要求。而多重共振型热活化延迟荧光(MR-TADF)材料兼具高效率与窄带发射特性,是实现广色域有机发光二极管(OLED)的关键发光层材料。在红-绿-蓝三色系统中,绿光约占感知亮度的70%,使得高性能绿色发射体对UHD OLED开发至关重要。此外,与红蓝发射体(理想色度坐标(CIE)仅通过将光致发光峰(PL)波长移动到目标波长即可实现)不同,优化绿色发射体需要多维方法:精确控制发射波长,实现超窄半峰宽(FWHM),并有效抑制振动肩峰。因此,开发符合BT.2020标准(目标CIEy = 0.797)的绿色磁共振发射体对于推进UHD OLED显示器至关重要。

为满足这些尚未解决的需求,李成龙,刘宇教授等人提出了一种简单而有效的分子工程策略——螺芴锁定。该策略利用螺芴单元的独特结构特征,同时针对上述两个关键挑战:(1)刚性的螺碳桥将芴部分共价连接至多共振(MR)核上,在不破坏MR共振结构的前提下扩展π共轭,实现可控的红移发射,使之进入纯绿光区域,并缩小与BT.2020标准之间在CIEy坐标上的差距;(2)螺芴单元的三维空间位阻效应限制了激发态下的分子转动/振动(抑制结构弛豫),并防止分子间的π-π堆积(缓解聚集诱导猝灭ACQ),从而在较宽的掺杂浓度范围内保持超窄的半峰宽(FWHM)。合成的DBN-TMS与DBN-MS材料在溶液中分别表现出513 nm与512 nm的发光峰,半峰宽(FWHM)均为16 nm,光致发光量子效率(PLQY)为95%与93%,,且在薄膜状态下展现出显著的抗浓度猝灭能力,其掺杂浓度为1wt.%时反系间窜跃速率(kRISC)分别达到10.8 × 104s-1和7.4 × 104s-1。以DBN-TM与DBN-MS为发光层的单主体OLED器件,在1–10 wt.%的宽掺杂范围内,实现了最高外量子效率(EQE)分别为21.3%–30.9%与26.3%–35.5%,其电致发光峰位(λEL)分别为519–525nm(FWHM = 21–26nm)和518–520nm(FWHM =19–20nm),基于DBN-MS的器件在宽摻杂浓度范围(1-10wt.%)中实现了最先进的绿色色度坐标(CIEy = 0.76-0.77),代表了迄今为止底部发射OLED中CIEy坐标0.77的最高绿色发射。本研究因此提出了一种有效且可迁移的分子设计策略,用于开发高性能绿色MR-TADF材料,同时表现出高纯度、卓越效率、窄带发射和低浓度敏感性,推动了符合BT.2020标准的UHD OLED显示器的发展。

该工作发表在Advanced Materials.(DOI:10.1002/adma.73230)上,海角社区 博士研究生张悦为论文的第一作者,海角社区 李成龙刘宇教授为文章的通讯作者。

图1.分子设计策略

图2.基于DBN-MS和DBN-TMS的单主体器件表现