近日，華南理工大學唐本忠院士團隊的趙祖金教授和團隊，研發出一類高性能天藍光 OLED 材料，在論文正式發表前已經申請專利，以便后續落地到產業中。
10 月 20 日，相關論文以《優化水平偶極取向以提高天藍色延遲熒光分子的外量子效率至38.6%》（Boosting external quantum efficiency to 38.6% of sky-blue delayed fluorescence molecules by optimizing horizontal dipole orientation）為題，發表在 Science Advances 上[1]。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
趙祖金表示，這些高性能發光材料具有典型的聚集誘導發光（AIE）特性，相關光物理機制與 AIE 理論密切相關，此次成果給 AIE 研究領域再添一筆，也意味著 AIE 材料在光電器件應用方面取得了新的突破。
利用分子水平偶極取向工程，提升 OLED 光取出效率
為了實現高電致發光效率，科學家們努力提高發光分子的光致發光量子產率和激子利用率，而光取出效率的提升在分子設計中受到的關注相對較少。在該研究中，該團隊通過分子的水平偶極取向工程，成功地提高了材料的光取出效率，最終使器件外量子效率有極大的提升。
如何在材料設計上繼續提升光取出效率，是該研究的難點。借此他們開發出一系列以吸電子基團羰基為核心的分子，同時引入螺吖啶和咔唑衍生物兩種給電子基團，來提升分子水平偶極取向的比率，從而提高分子的光取出效率。
圖 | 研究中所設計的分子化學結構與幾何構型示意圖（來源：Science Advances）
這些分子具有很強的天藍色延遲熒光，并表現出優異的光致發光量子產率、大的水平偶極取向比率和平衡的雙極載流子傳輸等突出優點。
圖 | 定制分子的光物理性質（來源：Science Advances）
在非摻雜和摻雜的天藍光 OLED 中可分別實現高達 26.1% 和 38.6% 的外量子效率，是目前文獻中所報道的最高值。
（來源：Science Advances）
此外，該研究還實現了性能最好的非摻雜雜化白光 OLED 和全熒光單發射層白光 OLED，表明這些分子在 OLED 產業中具有巨大的應用潛力。
圖 | 天藍光 OLEDs 的器件性能（來源：Science Advances）
據悉，藍光材料是發光材料領域的難點問題，相關材料的性能并不是很好，該研究所報道的天藍光材料，很大程度上解決了目前藍光材料選擇匱乏、且性能不好的難題，為發光材料的設計提供了新方法。
此外，利用理論計算方法，該研究揭示了所構建分子實現高性能 OLED 的機理。
在這些分子中，羰基和螺吖啶通過苯基橋形成一個扭曲的 D-A 分子骨架，主導天藍色延遲熒光的產生。由于 n-π* 躍遷的存在，羰基核有利于增強自旋軌道耦合效應（SOC，spin-orbit coupling）和反向系間竄越（RISC, reverse intersystem crossing）過程，從而促進延遲熒光的產生，提高激子利用率。
圖 | 一系列定制發光分子的理論計算（來源：Science Advances）
此外，在這些分子中，分布于羰基核上的n軌道使得由 n-π* 躍遷控制的 T1態，比由 π-π* 躍遷主導的 S1 態對基質極性的變化更敏感；且 n-π* 和 π-π*躍遷在大極性環境中激發態和基態能極差的變化相反，一個增大一個減小。
因此，在發光分子 S1 態的極性 > DPEPO（二苯基-4-三苯基甲硅烷基苯基氧，Bis[2-(diphenylphosphino)phenyl]ether oxide）主體材料的極性 > T1 態的極性的前提下，與非摻膜相比，發光分子在 DPEPO 主體中的 T1 能級的增量大于 S1，導致 ΔEST 值（S1與T1態的能量差值）降低。這種與 S1 態和 T1 態的極性，以及躍遷類型相關的主體材料調節效應，可用于有效地調節 ΔEST 值和延遲熒光特性。
圖 | S1 態和 T1 態的躍遷類型（來源：Science Advances）
在羰基核的另一邊引入咔唑單元時，幾乎沒有干擾最高被占據的分子軌道（HOMO），以及最低未被占據的分子軌道（LUMO）的電子結構。因此對延遲熒光性質沒有破壞作用，但在一定程度上減弱了分子內電荷轉移效應，使分子的發射發生藍移。
準確來說，咔唑類單元的存在，不僅對于增強熱穩定性、防止發光猝滅和激子湮滅存在明顯的積極影響，而且通過調節 HOMO-1 軌道的分布和分子的堆疊，還可影響載流子的遷移率。隨著咔唑單元的增加，分子的電子遷移率略有變化，但空穴遷移率的變化相對較大，最終使分子具有非常平衡的電子和空穴傳輸能力。
相關實驗結果，不僅證明了這些發光分子在 OLED 中的巨大潛力，也揭示了這些分子采取的水平偶極取向工程，可能會給 OLED 帶來新的突破。
內容來源：DeepTech深科技 作者：多加
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