清華大學有機光電子與分子工程教育部重點實驗室段煉、張東東研究團隊在藍色有機發(fā)光二極管（OLED）領(lǐng)域取得了重要進展。該研究首次成功采用分子全氘代替策略，大幅度提高了基于藍色熱活化延遲熒光（TADF）OLED器件的效率和壽命，實現(xiàn)對現(xiàn)有藍色磷光OLED性能的超越，為OLED顯示和照明領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇。全氘化TADF分子在OLED中表現(xiàn)出的最大外量子效率達到33.1%，并將1000 cd/m2初始亮度下的器件壽命（LT80）提升至1365小時。
藍色光源作為有機顯示和照明技術(shù)的重要組成部分，其發(fā)展受到效率和穩(wěn)定性的雙重挑戰(zhàn)，特別是商用藍色OLED的效率和壽命相對較低，亟需進行技術(shù)突破。熱活化延遲熒光（TADF）材料因具有純有機、高效率的特點而受到廣泛關(guān)注，但其穩(wěn)定性仍難以滿足商業(yè)化要求，尤其是在藍光區(qū)域。2022年，韓國三星公司報道了超長壽命的藍色磷光材料，接近量產(chǎn)要求，這引起了廣泛關(guān)注。未來穩(wěn)定藍光OLED究竟路向何方、選擇磷光還是TADF，成為學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的重點。
在本項研究工作中，研究團隊采用多次水熱合成的方法將TADF分子中的氫原子全部替換為氘原子，氘代率最高可達99%，成功開發(fā)出了全氘代的藍色TADF分子。這一策略有效抑制了分子的高頻振動，從而減小振動耦合，降低了無輻射躍遷速率和化學鍵解離概率，大幅提高了器件的外量子效率（EQE）和壽命；還實現(xiàn)了在固態(tài)薄膜中發(fā)射光譜的藍移和窄化，提升能量傳遞速率，實現(xiàn)了高色純度的深藍光熱活化敏化熒光（TSF）器件。
圖1.全氘代與非氘代分子的結(jié)構(gòu)分析。(a) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN的化學結(jié)構(gòu)；(b)-(c) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN, and D-5tCzBN的紅外光譜；(d)-(e) 化學鍵振動模式對分子振動零點能的貢獻分布。
研究團隊采用TSF策略，以TADF分子為敏化劑，摻雜窄光譜熒光染料以實現(xiàn)高色純度的深藍光發(fā)射。全氘化TADF分子在敏化器件中表現(xiàn)出的最大EQE達到了33.1%，并將器件壽命提升至1365小時，CIE色坐標達到（0.15, 0.20）。相較于非氘化分子的OLED器件，性能得到了顯著提高。在相同的器件結(jié)構(gòu)下，器件效率和壽命均超越了三星公司報道的磷光材料（BD-02）。此外，通過對光物理特性的詳細分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)全氘代分子在光致發(fā)光量子產(chǎn)率、光化學穩(wěn)定性、熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率上均有顯著提升，這些都歸功于全氘代對分子高頻振動模式的有效抑制及其導致的振動能級重新分布。
圖2.全氘代與非氘代分子的光致發(fā)光性質(zhì)表征。(a) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN在甲苯溶液中的紫外可見吸收光譜和熒光光譜；(b) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN在甲苯溶液中的瞬態(tài)衰減曲線；(c)-(d) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN在固態(tài)薄膜中的熒光光譜（15 wt%）; (e) 全氘代與非氘代分子在基態(tài)(S0)和激發(fā)態(tài)(S1)之間的振動耦合示意圖。
圖3.TADF器件的電致發(fā)光性質(zhì)。(a) 器件結(jié)構(gòu)與功能層化合物的化學結(jié)構(gòu)；(b)-(c) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN器件的EQE-亮度關(guān)系；(d)-(e) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN器件的電致發(fā)光光譜；(f) 5CzBN, D-5CzBN, 5tCzBN和D-5tCzBN器件的壽命衰減曲線（初始亮度為1000 cd/m2）。
圖4.TSF器件和磷光（BD-02）器件的電致發(fā)光性質(zhì)。(a) ν-DABNA和PtON-TBBI的化學結(jié)構(gòu)；(b) ν-DABNA的紫外可見吸收光譜和TADF敏化劑的發(fā)射光譜；(c) TSF器件和磷光器件的電致發(fā)光光譜；(d) TSF器件和磷光器件的EQE-亮度關(guān)系；(e) TSF器件和磷光器件的壽命衰減曲線（初始亮度為1000 cd/m2）；(f) 文獻已有的高性能藍光OLED器件壽命-CIEy分布圖（括號中為1000 cd/m2下的器件EQE值）。
該工作不僅在理論上為TADF分子的設計和優(yōu)化提供了新的視角，也為實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的藍光OLED器件開辟了新的道路，將進一步推動有機發(fā)光技術(shù)的發(fā)展，對實現(xiàn)藍光TADF材料的產(chǎn)業(yè)化應用具有重要意義。
北京時間2024年1月29日18時，該研究成果在線發(fā)表于《自然—光子學》。該工作的第一作者是清華大學化學系黃天宇博士，共同通訊作者為清華大學化學系張東東助理研究員和段煉教授。合作者還有清華大學化學系博士生王琪、張海、助理研究員張躍威博士以及北京大學化學與分子工程學院戰(zhàn)鴿博士。該研究工作得到了國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目、科技部國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01379-1
供稿 | 化學系
編輯 | 黃思南
審核 | 王曉霞
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