绿色荧光发光新突破——电致发光效率达到37.1%

近日，吉林大学李成龙教授课题组在顶级期刊Angewandte Chemie上在线发表了重要研究成果，开发了一种，实现了绿色荧光发光效率的新突破，将促进OLED发光显示领域的进一步发展。

【研究概要】

本研究采用对硼-π-硼和对氧-π-氧策略，制备了具有多共振热激活延迟荧光(MR - TDF)的三元硼-氧-氮包埋多环芳烃(简写为DBNO)。研究设计的分子具有鲜艳的绿色发射，具有高的光致发光量子产率(96%)和极窄的全宽半最大值(FWHM) (19 nm/0.09 eV)，超过了迄今为止所报道的所有绿色TTADF发射器。此外，沿跃迁偶极矩方向的长分子结构使其具有高达96%的水平发射偶极比。基于DBNO的有机发光二极管(OLED)显示出窄带绿色发射峰为504 nm，半宽宽为24 nm/0.12 eV。特别地，TAFT敏化(高荧光)机制使器件性能显著提高，FWHM为27 nm，最大量子效率为37.1%，实现了绿色荧光发光的新突破。

【研究背景】

多环芳烃(PAHs)因其迷人的光学和电子学性质以及在有机电子学领域的巨大潜力而获得了越来越多的研究兴趣。多环芳烃，特别是掺硼多环芳烃(b-多环芳烃)由于其强烈的发光、中等的缺电子和路易斯酸性的性质，在过去的十年中得到了广泛的发展。尽管B-多环芳烃的发展取得了很大的进展，但它们很少作为发光材料应用于有机发光二极管(OLEDs)中。这是因为它们的高度平面和刚性分子结构导致严重的聚集猝灭效应，从而降低光发光产量。

最近，Hatakeyama等人开发了一种独特的硼氮掺杂多环芳烃(B,N-PAHs)，命名为多共振诱导热激活延迟荧光(MR - TTADF)，其中最高的占据分子轨道(HOMO)和最低的未占据分子轨道(LUMO)分别位于共振效应相反的缺电子硼和富电子氮的邻位和对位上。这种独特的多重共振效应不仅使这些发射器具有窄的全宽半最大值(FWHM)和小的Stokes位移，显示出良好的颜色纯度，而且在最低单重态(S1)和三重态(T1)激发态之间还存在小的能量分裂(∆EST)，允许通过反向系统间交叉(RISC)过程获取三重态激子，从而实现高效的TTADF发射。

然而，相比于目前的蓝色和红色发射体极小的半宽谱 (均小于0.10 eV)，而绿色发射体的半宽谱在500 ~ 560 nm范围内的半宽谱均大于0.13 eV，不足以形成高色纯度的“色空间”。因此，开发FWHM值低于0.10 eV、效率高、适用于宽色域和超高清显示的绿色发射器仍然是一个艰巨的挑战。

【图文解析】

图1：基于硼氧氮三元包埋多环芳香烃以及v-DABNA、bbz - r和DBNO化学结构的窄带绿色MR-TADF发射器设计。

图2：DBNO分子的性能计算和分子形态模拟结果

为了研究DBNO分子的集合和电学性能，本研究采用密度泛函理论(DFT)对DBNO的几何构型和电子性质进行计算，并采用时域DFT (TD-DFT)计算DBNO的能量。理论计算结果表明，DBNO分子是一种很有前途的高效窄带MR-TADF发射器件。

图3：发光性能

图3：(a) 298k时DBNO在甲苯中的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱;(b) 77k时DBNO在甲苯中的荧光和磷光光谱;(c)掺杂浓度为1wt %的PhCzBCz薄膜中DBNO的p偏振发光强度和模拟曲线。(d)优化后的DBNO S1态几何构型及其跃迁偶极矩方向。

图4：基于DBNO的器件A和D的EL特性。a) EL光谱；b) J-V-L曲线。c) EQE-L曲线; d) CE-L和PE-L曲线。

由图4可以明显看出，添加敏化剂和不添加敏化剂的OLED具有相同的EL光谱，在504 nm处最大发射，对应于CIE坐标(0.14,0.53)。TTADF敏化后器件的半宽(27 nm/0.14 eV)略宽于未添加敏化剂的器件(24 nm)，这可能是由于5TCzBN的大分子偶极矩增加了EML的极性。

图5：本研究产物性能与过去研究成果的对比

研究结果表明，研究人员已经成功地设计并合成了一种新颖的三元B -, O-, N- 掺杂的嵌入式多环芳烃与MR-TADF字符展品高荧光量子产率的96%和窄带绿色排放在500纳米的应用19 nm稀释甲苯溶液,超过了之前报告的所有绿色TADF发射器。

【文章信息】

Cai, X., Xue, J., Li, C., Liang, B., Ying, A., Tan, Y., Gong, S. and Wang, Y. (2022), Achieving 37.1% Green Electroluminescent Efficiency and 0.09 eV Full Width at Half Maximum Based on a Ternary Boron-Oxygen-Nitrogen Embedded Polycyclic Aromatic System. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript.

https://doi.org/10.1002/anie.202200337

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