近日，中國科學技術大學崔林松教授團隊與英國劍橋大學Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大學柳淵教授合作，提出了高色純度深藍色有機發光材料設計新策略，開發了一系列色純度接近BT.2020藍光標準的高效深藍色發光材料，在深藍色有機電致發光二極管（OLED）色純度和效率方面實現新的突破，有望解決未來4K/8K超高清顯示技術領域藍光色純度的重要瓶頸。相關研究成果以《Excited-state Engineering Enables Efficient Deep-blue Light-emitting Diodes Exhibiting BT.2020 Color Gamut》為題，于2024年4月10日在線發表于期刊《Advanced Materials》上。
OLED作為新一代顯示技術，具有自發光、高分辨率、高柔性、低功耗和超輕薄等諸多優勢，在智能手機、智能穿戴設備以及VR等產品的屏幕上得到廣泛應用。發光材料是OLED器件的核心，對器件的發光性能，包括發光效率、色純度和器件壽命等方面有著重要影響。因此，設計和開發高性能有機發光材料一直是OLED領域的研究重點和難點。其中，藍光材料的開發尤為關鍵，因為它不僅能提供顯示和照明所需的藍光，還可以通過能量轉移過程產生紅光和綠光。當前，顯示技術的目標是實現BT.2020超高清色域標準，該標準規定了藍光的標準色坐標（CIE）為（0.131, 0.046），以滿足4K/8K超高分辨率顯示的需求，這對藍色發光材料的設計提出了新的挑戰。
研究團隊創新性地提出了高色純度深藍色OLED材料設計新策略，即將多個咔唑給體基團引入到多重共振（MR）型電子受體單元中，形成雜化的長程和短程電荷轉移激發態。基于此策略設計的藍光分子不僅具有短程電荷轉移激發態窄譜帶發射的特征，而且引入的長程電荷轉移激發態有利于降低分子的單/三線態能級差，從而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見圖一）。
圖一：深藍光TADF分子的穩態和瞬態發射光譜
理論計算結果進一步表明，MR型電子受體單元表現出短程電荷轉移激發態特征，而多個咔唑給體基團的引入形成了長程電荷轉移激發態。其中，短程電荷轉移激發態能夠有效抑制分子激發態下的結構弛豫，從而實現深藍光的窄帶發射；而長程電荷轉移激發態則能進一步減小分子的單/三線態能級差，同時增強單/三線態之間的自旋軌道耦合，進而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見圖二）。相關ISC和RISC過程通過瞬態吸收光譜得到了進一步驗證（見圖三）。此外，對于MR型電子受體單元，其剛性且平面的結構易在高濃度摻雜時發生堆積，產生較強的分子間相互作用，最終導致分子發光的紅移與展寬。然而，在此策略中，多個咔唑給體基團的引入帶來了大的位阻效應可以有效抑制MR受體單元的堆積，使該分子在高摻雜濃度下依然保持深藍光窄帶發射。
圖二：深藍光TADF分子的理論計算結果
圖三：深藍光TADF分子的瞬態吸收光譜
最終，基于5Cz-BO分子制備的OLED器件實現了22.8%的最大外量子效率，其CIE值為（0.163, 0.046），CIEy值已非常接近目前的BT.2020藍光標準，從而在效率和色純度方面實現了深藍光OLED器件的新突破。同時，由于5Cz-BO具有較高的反向系間竄躍速率，可以作為敏化劑使用，最終敏化器件的最大外量子效率高達33.1%，使深藍光敏化器件表現出了巨大的發展潛力（見圖四）。
圖四：深藍光OLED器件的結構與性能
中國科學技術大學博士研究生安芮芝以及劍橋大學孫雨琦博士為本論文的共同第一作者，中國科學技術大學崔林松教授、英國劍橋大學Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大學柳淵教授為本論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學技術大學“雙一流”專項基金、中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學理化科學實驗中心以及中國科學技術大學超級計算中心等支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202313602
(化學與材料科學學院、精準智能化學重點實驗室、中國科學院軟物質化學重點實驗室、科研部)
