探索激子的发光之旅:一种同时具有热致延迟荧光和室温磷光的纯有机小分子

近两年,纯有机的热致延迟荧光(TADF)材料在有机电致发光二极管(OLEDs)取得了突破性的进展。该类材料在热活化下,75%的三线态激子(T1)通过反向隙间窜越的通道到达单线态(S1),发射出具有长寿命的荧光,理论上的内量子效率能够达到100%,OLED器件的外量子效率已经可以和第二代重金属磷光材料相媲美,从而可避免使用地球资源稀缺的贵重金属。设计TADF分子,最基本的要求是分子的最高占据轨道(HOMO)和最低未占据轨道(LUMO)的分离,实现较小的单、三线态能级差;前线分子轨道的分离,一般需要构建电子给体(D)与电子受体(A)之间的扭转构型。另一方面,与重金属配合物的磷光现象相比,纯有机室温磷光(RTP)仍处于初步阶段。对于有机RTP独特的现象有几种解释,包括:结晶诱导磷光(CIP),H-聚集分子的强耦合作用稳定三线态激子和分子间的电子耦合作用。虽然对其发光机制没有统一的解释,但就化学结构而言,纯有机RTP分子具有共同的特征:1)含有D-A结构促进有效的电子间相互作用;2)在分子结构中含有O,N或者P等杂原子,通过n-π*跃迁,促进自旋禁阻的单、三线态的隙间窜越;3)刚性的结晶态具有较强的分子间作用力,抑制由外界氧和水分造成的非辐射失活过程,有利于获得RTP发射。综上,从给体-受体结构出发,有机RTP分子的设计原理和TADF分子的设计原理有一些类似之处。

近期,武汉大学杨楚罗教授团队通过合理的分子设计,获得了一种同时具有热致延迟荧光和室温磷光的纯有机小分子。他们选择喹喔啉作为电子受体,吩噁嗪为电子给体,构建了一个新的D-A结构的有机分子(DBQPXZ)。研究表明,该化合物同时具有TADF和RTP特征,其发光机制涉及热控制的三线态激子循环通道,并且存在一个170K的阈值温度:在阈值温度以下,磷光的发射占主导;在170 K时,三线态激子的反向隙间窜越通道被激活,随着温度的进一步升高,TADF过程逐渐占据主导地位。通过单晶-X-射线衍射测试,发现其RTP现象来源于“结晶诱导效应”。与中国科学院长春应用化学研究所和华南理工大学马东阁教授团队合作,使用该化合物作为发光材料的有机电致发光器件,实现了54.1 cd A−1的电流效率、59.0 lm W−1的功率效率和16.8%的外量子效率。上述研究结果可促进新型有机发光材料的发展,推动有机光电子技术的应用。

相关工作已发表在Advanced Optical Materials上 (DOI: 10.1002/adom.201700588)。