Advanced Functional Materials:氢键辅助的激基复合物发射体实现了高效率且稳定的OLED

自2012年以来,激基复合物在有机发光二极管(OLEDs)中的应用受到了人们的广泛的研究。由于其分子间的电荷转移跃迁在供电子(D)和受电子(A)分子间形成,激基复合物的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)分别位于D和A上。因此,激基复合物本征上在最低单重态和三重态(S1和T1)能级之间具有极小的能级带隙(ΔEsts),进而通过有效的反系间窜越(RISC)过程利用非辐射跃迁的三重态激子发光。相比于单分子TADF发射体,激基复合物发射体具有独特的优势, 比如不需要主体、载流子迁移率可控、方便载流子注入等。因此,最近几年大量的研究学者致力于提高激基复合物发射体的性能。

一般来说,传统的激基复合物处于激发态(S1E和T1E)辐射跃迁往往过程包含S1E的瞬发荧光(PF))和T1E的延迟荧光(DF)两个过程。同时,由于其组成成分(D和A)之间易于发生分子间或分子内的旋转和振动,从而产生严重的非辐射跃迁。在2016年,韩国的Kim et.al 证明了激基复合物发射体的非辐射跃迁过程将造成严重的能量损失。该课题组该课题组通过用低温150K的方法来限制分子间和分子内的旋转和振动,最终基于激基复合物的OLED从室温的11%外量子效率(EQE)提升到了25.2% EQE。显而易见,有效的避免非辐射跃迁是发展高性能激基复合物发射体最有潜力方法之一。

本次工作,电子科技大学郑才俊研究员和苏州大学张晓宏教授(共同通讯作者)等人提出了一种通过在供电子和受电子构成分子之间引入分子间氢键(HB)来抑制激基复合物发射体的非辐射跃迁的新型策略,从而来提高其在OLEDs中的效率和稳定性。第一作者张明以1, 3-二(10H-吩恶嗪-10-基)苯(13PXZB)为供体,4, 6-二(3, 5-二(吡啶-4-基)苯基)-2-甲基嘧啶(B4PyMPM)、4, 6-二(3, 5-二(吡啶-3-基)苯基)-2-甲基嘧啶(B3PyMPM)和4, 6-二(3, 5-二(吡啶-2-基)苯基)-2-甲基嘧啶(B2PyMPM)为受体构建了三种激基复合物发射体。其中,具有分子间HBs最多的13PXZB: B4PyMPM,显示出的光致发光量子产率(ΦPL)最高达到69.6%和最低的三重态激子非辐射过程速率常数(knrT)为3.4×105 S-1)。同时,在OLEDs中,使用13PXZB: B4PyMPM和13PXZB: B3PyMPM的最大外部量子效率(EQEs)分别为14.6%和10.0%,分别是EQE为6.2%的13PXZB: B2PyMPM的2.3和1.6倍。此外,D和A分子之间的分子间HB有利于提高激基复合物发射体的电致发光(EL)稳定性。此外,13PXZB: B4PyMPM的半衰期(LT50)分别是比13PXZB: B3PyMPM和13PXZB: B2PyMPM的4.8倍和8.2倍。总之,该工作不仅证明了D和A分子间的HBs可以改善激基复合物发射体的性能,而且为研制高效稳定的激基复合物发射体开辟了一条新的途径。研究成果以题为“Hydrogen-Bond-Assisted Exciplex Emitters Realizing Improved Efficiencies and Stabilities in Organic Light Emitting Diodes”发布在国际著名期刊Advanced Functional Materials(10.1002/adfm.202010100)上。