最近,熱活化延遲熒光(TADF)材料以其獨(dú)特性能獲得廣泛關(guān)注,被認(rèn)為是繼傳統(tǒng)熒光材料和重金屬配合物磷光材料之后最具有發(fā)展?jié)摿Φ牡谌l(fā)光材料。在過去幾年中,TADF材料的電致發(fā)光性能獲得了長足進(jìn)步。在天藍(lán)光區(qū)域,其外量子效率(EQE)已接近37%;在綠光區(qū)域,其EQE也已超過30%。而作為全色發(fā)光不可或缺的成分,橙紅光TADF材料的發(fā)展則明顯滯后。截至目前,橙紅光TADF材料的相關(guān)報(bào)道遠(yuǎn)少于藍(lán)光和綠光TADF材料,并且基于橙紅光TADF材料的OLED的最高EQE仍停留在17.5%。為了填補(bǔ)這一空白,目前亟待開發(fā)更高效的新型橙紅光TADF材料。
【成果簡(jiǎn)介】
近日,武漢大學(xué)楊楚羅、龔少龍團(tuán)隊(duì)和臺(tái)灣大學(xué)吳忠?guī)?吳忠?guī)?(共同通訊)團(tuán)隊(duì)合作,在橙紅光TADF材料研究方面取得了重大進(jìn)展。該工作基于電子給體-受體(D-A)分子結(jié)構(gòu),通過結(jié)合1,8-萘二酰亞胺(NAI)電子給體單元和不同的芳胺類電子受體單元,9,9二甲基吖啶(DMAC)和9,9-二苯基吖啶(DPAC), 構(gòu)建了兩個(gè)目標(biāo)分子NAI-DMAC和NAI-DPAC。兩個(gè)化合物均獲得了橙紅光發(fā)射,并且具有高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率(60%和79%),優(yōu)異的TADF性能(超過85%的延遲比率)和良好的水平躍遷偶極矩取向性(71%和74%)?;谶@兩種橙紅光TADF材料的OLED獲得了目前最高的橙紅光TADF器件效率:在581-600 nm發(fā)射峰值范圍內(nèi),其EQE保持在21-29.2%的高水準(zhǔn)。值得強(qiáng)調(diào)的是,這是目前首例報(bào)道的基于橙紅光TADF材料的EQE超過20%的OLED,并且29.2%的EQE遠(yuǎn)超此前已報(bào)道的17.5%的紀(jì)錄,成為目前橙紅光TADF器件的最高效率。研究人員對(duì)高效率器件的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了探索,發(fā)現(xiàn)了光學(xué)微腔效應(yīng)對(duì)于提升激子利用率和發(fā)光量子產(chǎn)率方面的重要貢獻(xiàn)。該成果以題為:“Achieving Nearly 30% External Quantum Efficiency for Orange–Red Organic Light Emitting Diodes by Employing Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters Composed of 1,8-Naphthalimide-Acridine Hybrids”,發(fā)表在Advanced Materials上。
【圖文解讀】
圖一 NAI-DMAC和NAI-DPAC的分子結(jié)構(gòu)能級(jí)結(jié)構(gòu)研究
a) TADF材料的分子結(jié)構(gòu)式;
b) 密度泛函理論計(jì)算得出的分子前線軌道能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí);
c) 優(yōu)化基態(tài)結(jié)構(gòu)的前線軌道分布(藍(lán)色為HOMO,紅色為LUMO);
d) 單晶結(jié)構(gòu);
圖二 NAI-DMAC和NAI-DPAC的光致發(fā)光性能研究。
a) NAI-DMAC和NAI-DPAC在甲苯溶液中的紫外可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜;
b) NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的熒光和磷光光譜;
c) NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的瞬態(tài)熒光衰減曲線。
圖三 NAI-DMAC和NAI-DPAC的躍遷偶極矩取向性能研究
a) NAI-DMAC和c) NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的p偏振光致發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)于發(fā)射角度的分布(實(shí)心方塊),擬和曲線(實(shí)線)與理論曲線(虛線,各向同性及完全水平取向);
b) NAI-DMAC 和d) NAI-DPAC基于含時(shí)密度泛函理論計(jì)算的躍遷偶極矩取向和大小。
圖四 基于NAI-DMAC和NAI-DPAC材料的OLEDs器件性能表征
a) 器件結(jié)構(gòu),相關(guān)材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)以及分子結(jié)構(gòu)圖;
b-d) 基于NAI-DMAC和NAI-DPAC的OLED器件電致發(fā)光光譜,電流密度-電壓-發(fā)光亮度曲線,EQE和功率效率相對(duì)于發(fā)光亮度曲線;
e)單層發(fā)光層薄膜和完整器件的瞬態(tài)光致發(fā)光衰減曲線。
圖五 EQE性能對(duì)比
EQE與EL峰值與此前已報(bào)道工作的對(duì)比。
【小結(jié)】
該工作通過合理的分子設(shè)計(jì),構(gòu)建了兩個(gè)橙紅光有機(jī)發(fā)光分子。這些材料在確保優(yōu)良TADF性能的同時(shí),兼顧了高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率和良好的水平躍遷偶極矩取向性,最終獲得了橙紅光OLED破紀(jì)錄的29.2%的EQE,大大超越所有先前報(bào)道的橙紅光TADF 器件性能。研究還發(fā)現(xiàn)了光學(xué)微腔效應(yīng)對(duì)于提升激子利用率和發(fā)光量子產(chǎn)率方面的重要貢獻(xiàn)。這項(xiàng)工作不僅為橙紅光TADF材料設(shè)計(jì)提供了一條可行的思路,而且強(qiáng)調(diào)了通過合理的分子設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化充分挖掘材料性能的觀點(diǎn)。這對(duì)于設(shè)計(jì)和篩選高效TADF材料有著重要意義,尤其在分子設(shè)計(jì)要求嚴(yán)苛的深藍(lán)-紫外以及近紅外區(qū)域(其分子設(shè)計(jì)上很難同時(shí)兼顧發(fā)光材料各方面性能)。
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