高色纯度超荧光材料的设计及其在有机电致发光器件中的应用

0 1 引言

有机电致发光器件（OLED）是继阴极射线管（CRT）和液晶（LCD）之后最有应用前景的第三代平板显示技术，具有响应速度快、宽视角、可实现柔性及透明显示等诸多优势。在OLED研究当中，发光材料的发光效率以及光谱展宽是影响器件性能及发光色纯度的关键。开发具有高荧光量子产率、高色纯度、并同时能够利用单/三重态激子的热活化延迟荧光（TADF）材料是OLED发光材料研究当前需要解决的核心问题。目前，在蓝光、绿光发光材料方面已经取得了较大的进展，基本满足商业化应用需求，而红光TADF的器件效率却相对滞后，限制了OLED在更多场景中的应用。因此，开发高效率、低滚降的纯有机电致红光TADF材料仍是当前OLED领域的一大挑战。

MOMAP量化模拟是基于第一性原理计算的结果（包括分子的基态、激发态的平衡位形、以及振动频率和振动模式），在一阶微扰和费米黄金规则基础上同时考虑HerzbergTeller 效应，因此，在计算发光分子的分子吸收/荧光光谱、磷光光谱、辐射跃迁速率、内转换速率、和系间窜越速率等与发光效率和光谱形状相关联方面具有独到的优势。本项目研究是基于文献已报道的经典红光TADF材料dpTPAAP（图1a）为模型参考，通过微调与分子TADF以及发光效率属性相关联的各项分子参数，结合MOMAP和Gaussian软件理论模拟，计算了不同红光TADF分子的单三线态能极差（ΔEST）、旋轨耦合常数（SOC）、自然跃迁轨道分布、黄昆因子，辐射以及非辐射跃迁速率等数据，从理论的角度阐述了分子结构参数的微调对其振动模式、非辐射跃迁速率、光致发光效率等关键指标的影响，为后续设计高效红光TADF材料提供了重要的借鉴和理论依据。

0 2 成果简介

在TADF发光材料结构设计当中，与发光效率及激子利用率相关联的关键分子参数，如ΔEST、SOC、振子强度（f）、以及辐射跃迁速率（kr）、非辐射跃迁（knr）振动模式等之间相互耦合，极大的阻碍了材料综合性能的进一步优化。特别是红光TADF材料，受限于能隙规则其knr更显著。鉴于此，本项目基于经典的三芳胺类，具有高f的dpTPAAP红光TADF分子为模型，通过精细优化给受体之间的π桥（引入萘基，），以及给体外延伸策略（引入苯并二呋喃端基）设计了dpnTPAAP和dbfTPAAP（图1），以期获得最佳平衡的各项参数提升器件效率。理论计算表明，相比于dpTPAAP，结构的微调能够获得更加平衡的TADF参数。为了进一步研究结构微调策略对发光效率的影响，我们利用MOMAP软件计算了这三个分子气态下的黄昆因子（HRF），kr和knr。结果表明，给受体之间的π桥替换为萘基后能够显著抑制分子的低频面外摇摆振动以及高频面内剪切、扭曲振动（图2），从而显著降低其knr（从8.59 * 1010 s-1锐降至2.55 * 1010 s-1），提升荧光量子产率。引入苯并二呋喃端基虽能延伸拓宽给体部分的最高占据态轨道分布，促进分子间电荷转移态形成，但是此处反而增加了额外的高频振动。正如理论计算所预期的，结合光物理及器件表征测试结果发现，相比于对比分子dpnTPAAP具有更高的荧光量子产率（86%）和更高的kRISC / kISC比值，以及显著提升的最大外量子效率（EQE，18.9% @630 nm）。该研究揭示了构筑平衡TADF参数的重要性，以及结合MOMAP软件如何预测调控，从而进一步指导优化TADF分子结构和最终的器件性能。

03 图文导读

图1、a）分子结构及各项TADF参数计算结果，b）基态最优构性，c）自然跃迁轨道分布及其百分比。

图2、三个红光TADF分子在不同振动模式下的HRF数值，a）dpTPAAP，b）dpnTPAAP，和c）dbfTPAAP。

图3、a）三个发光分子在甲苯溶液中的吸收发射光谱，b）在3%掺杂膜（DMIC-TRz）中的发射光谱，c）纯膜状态下的瞬态发射和稳态发射光谱，d）3%掺杂膜下的变温瞬态荧光光谱。

图4、a）电致发光器件结构，b）器件中所涉及材料的化学结构式，以及器件A-D的c）电流-电压-亮度曲线，d）不同亮度下的功率效率、电流效率曲线，e）不同亮度下的EQE曲线和电致发光光谱。

0 4 小结

为了揭示与发光分子发光效率及电致下激子利用率相关联的关键TADF分子参数之间的内在耦合关系，以及如何通过结构优化平衡各关键分子参数，本项目基于结构微调策略，结合MOMAP软件模拟预测分子气态下的ΔEST、SOC、f、HRF、以及kr和knr的变化趋势，并找到合适的平衡点。结合实验测定的光物理数据，以及最终的器件表征结果发现，相比于经典的对比分子dpTPAAP，通过优化平衡参数后的dpnTPAAP具有更高的荧光量子产率（86%）和更高的kRISC / kISC比值，并相应的表现出更优异的器件性能（EQEmax提升30%）。与理论计算相比，实验现象及结论能够与之很好的匹配，该工作为设计高效率的纯有机电致红光材料提供了很好的思路，为进一步指导优化器件性能提供了参考。

审核编辑 ：李倩