专栏名称: 高分子科技

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华南理工王志明、港科大林荣业/唐本忠 AM：涉及热激子的双通道阶梯能量转移策略构建具有窄发射和高亮度特性的高效稳定蓝色OLED

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-29 11:35

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凭借在显示应用中轻质柔性、自发光特性等优势，有机发光二极管（ OLED ）在过去几十年间快速发展，并成功实现智能手机和电视的商业化应用。当前，为满足下一代先进显示技术对超高清、高分辨率的需求，开发具有窄发射光谱和高亮度的高效稳定 OLED 器件至关重要。通过磷光（ Ph ）或热活化延迟荧光（ TADF ）过程有效利用三线态激子，并最小化有机发光材料基态与激发态之间的结构差异， OLED 显示技术在高效率和窄发射方面已取得重大突破。然而，由于长寿命三线态激子易发生湮灭过程（如三线态 - 三线态湮灭（ TTA ）和三重态 - 极化子湮灭）， OLED 在高亮度下的效率稳定性（即效率滚降）以及器件工作稳定性仍面临挑战。这些负面效应在蓝色 OLED 中尤为显著，因此工业界的 OLED 蓝光发射源仍依赖传统荧光材料。为突破蓝色 OLED 的发展瓶颈，亟需在分子与器件设计层面提出创新性解决方案。

近日， 华南理工大学王志明研究员 与 香港科技大学林荣业教授 、 唐本忠院士 合作，研究设计了一种兼具热激子和聚集诱导发光（ AIE ）特性的蓝色有机发光材料 2TPA-CNNPI ，并将其作为敏化剂构建了新型的三线态 - 三线态湮灭（ TTA ）辅助热激子敏化荧光（ HSF ）器件，简称 THSF 。该 THSF 体系通过双通道的阶梯型 Förster 和 Dexter 能量转移过程可以实现激子利用率提升、激子动力学加速以及三线态激子浓度控制的协同优化。这种对激子的精细控制使 THSF 器件综合性能超越 TTA 荧光（ TF ）以及 HSF 对照器件，展现出更高的最大亮度与外量子效率（分别达到 63590 cd m ^‒2 和 11.0% ），更低的效率滚降（ 1000 和 10000 cd m ^‒2 下分别为 10.7% 和 9.1% ）以及延长的器件工作寿命（ LT ₉₀ @1000 cd m ^‒2 为 27.1 小时）。为了进一步提高效率并突出 THSF 体系的稳定性，制备了 THSF 叠层器件。该蓝色 OLED 器件（ EL: 468 nm, FWHM: 31 nm, CIE _x,y : 0.13, 0.12 ）的最大外量子效率为 18.3% ，在 10000 和 50000 cd m ^‒2 下效率分别为 17.6% 和 13.9% ，相应的 L _90% （即效率衰减至峰值 90% 时维持的亮度）达到了创纪录的 20000 cd m ^‒2 ，并且器件工作寿命（ LT ₅₀ @100 cd m ^‒2 ）长达 13256 小时。这些结果充分证明了 THSF 策略在构建具有窄发射和高亮度特性的高效稳定蓝色 OLED 的应用潜力。

THSF 器件的特征在于： 1 ）电子和空穴在热激子敏化剂上复合，并且位于高能级的三线态激子可以通过反向系间窜越（ RISC, T _n →S ₁ ， n≥2 ）过程捕获利用； 2 ）热激子敏化剂的单线态（ S ₁ ）和三线态（ T ₁ ）能级分别处于 TTA 主体材料和窄发射掺杂剂相应的 S ₁ 和 T ₁ 能级之间，从而形成双通道阶梯型 Förster 和 Dexter 能量转移过程； 3 ）最终 “ 浪费的 ”T ₁ 激子在 TTA 主体材料中通过 T-T 上转换过程回收利用。其中，赋予敏化剂 AIE 特性一方面可以抑制荧光浓度猝灭效应，促进从敏化剂到掺杂剂的 Förster 能量转移过程，另一方面可以抑制激子浓度湮灭效应，缓解敏化剂上因过多的激子积累而导致的效率严重滚降。相对于课题组已报道的单分子兼具 TTA 和热激子特性的材料来讲（ Adv. Funct. Mater . 2023 , 33 , 2212876 ），提高了分子结构选择性和器件综合表现力。

THSF 器件的优势在于： 1 ）热激子和 TTA 的双通道三线态激子捕获提高激子利用率； 2 ）快速的高能级 RISC 和高效 Förster 过程加速激子动力学； 3 ）高能级 T _n 转换为 S ₁ 从而减少 T ₁ 激子产生； 4 ）阶梯型 Dexter 能量转移过程分散 T ₁ 激子的分布从而降低 T ₁ 激子密度。因此， THSF 策略对 OLED 器件中激子的流畅管理为实现具有窄发射和高亮度的高效稳定蓝色 OLED 提出了一种创新性解决方案。

图 1. THSF 体系的激子过程示意图和 2TPA-CNNPI 的材料设计与材料搭配。

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2. 2TPA-CNNPI 的分子模拟和热激子机制研究。

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3. 2TPA-CNNPI 的光致发光和电致发光性能。

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4. THSF 体系的能量转移分析。

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5. THSF 器件的电致发光性能与机制研究。

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6. THSF 叠层器件的电致发光性能。

该研究成果近日在线发表在 Advance Materials 上，题目为 “Hot-Exciton-Involved Dual-Channel Stepwise Energy Transfer Enabling Efficient and Stable Blue OLEDs with Narrow Emission and High Luminance” 。香港科技大学博士后张翰为论文的第一作者，华南理工大学博士研究生 娄敬丽 和曲阜师范大学博士张凯为共同第一作者，华南理工大学 王志明 研究员为论文的通讯作者，香港科技大学 林荣业 教授，香港中文大学（深圳） 唐本忠 院士为共同通讯作者。

该工作是团队关于高效蓝光 / 近紫外 / 紫外光电致发光材料的开发与研究的最新进展之一。近年来，王志明研究员课题组基于多芳基修饰的菲并咪唑结构，发展了“交叉长短轴”与“热激子”机制相结合的分子设计理念和理论模型（ J. Mater. Chem. C, 2019 , 7, 6359 ； Adv. Opt, Mater . 2020 , 8 , 1902195 ） , 并通过激发态性质和能级调控，使材料的发光效率和激子利用率综合最优（ Adv. Funct. Mater. , 2020 , 30 , 202002323 ； Adv. Funct. Mater . 2023 , 33 , 2212876 ）；后续研究中，以氰基咔唑作为交叉长短轴骨架的热激子材料所制备的紫外 OLED 实现了 10.79% 的外量子效率（ Angew. Chem. Int. Ed . 2021 , 60 , 22241 ）；该体系通过对结构细节的调整，实现了深蓝光高效率（ Adv. Sci. 2024 , 11, 2407254 ）和多功能主体材料（ Small 2022 , 18, 2204029 9 ）的应用。以上研究成果体现出 “交叉长短轴”型热激子材料在蓝光 OLED 领域中的潜在价值。