Advanced Optical Materials:有机发光分子也要保持“社交距离”:空间电荷转移的热激活延迟荧光材料及器件

热激活延迟荧光材料(TADF)是目前处于研究热点的新一代有机发光材料,通过化学键的作用将给体和受体单元连接起来是构筑(TADF)的一种重要方式,它可以形成较小的单线态和三线态能级差,从而有利于室温条件下三线态激子通过反向系间窜越转化为单线态激子。新型的TADF发光材料,既可避免传统荧光材料三线态激子不发光的缺点,又不像磷光材料必须依赖贵重金属的自旋轨道耦合效应才能诱导出可辐射复合的三线态激子,因此具有“物美价廉”的双重优点,可以实现100%的激子利用率。近年来,通过空间电荷转移现象也可实现TADF过程,大大拓宽了有机发光材料的开发途径,这种既可以通过分子间的物理作用又可以通过分子内的化学过程来调控激子产生和利用的方式引起了科学家的广泛兴趣。

华中师范大学物理科学与技术学院薛钦副教授和武汉大学化学与分子科学学院谢国华副研究员基于近年来在有机电致发光材料和器件的研究基础,受邀撰写关于空间电荷转移作用的TADF材料和器件应用的综述文章,系统归纳了空间电荷转移诱导的TADF发光机制的产生途径和方式。

空间电荷转移可以发生在不同的分子之间,也可以通过同一个分子的给体和受体单元相互作用产生,这种作用不仅可以方便地调控发光颜色、激子寿命、荧光量子效率,还有利于研制高效的有机电致发光器件。有机半导体分子间的空间电荷转移过程常在激基复合物或者激基缔合物体系中发现,因其一般具有较小的单线态和三线态能级差,从而表现出TADF过程,不仅可以实现高效的电致发光,也可充当主体材料将能量传递给其他发光分子,提高激子利用率,用途广泛,功能十分强大。当然也有例外,不是所有激基复、激基缔合物合物的发光都是TADF机制的,需要仔细甄别。同一个TADF分子中给体和受体单元由于分子排列不同,例如“头尾相靠”,相同化学结构的一个分子的给体和另一个分子的受体也可以产生空间电荷转移,从而增加了反向系间窜越的通道,可以更高效地俘获三线态激子。另外,有些给体和受体分子可以跨越分隔层(可达几十纳米厚)产生长程的空间电荷转移,当然这种过程像是一把“双刃剑”,有可能产生更多的激子利用途径,也可能导致高能激子失活、荧光量子效率降低,器件性能变差,因此需要利用器件工程进行优化设计并加以有效利用。

当给体和受体基团以非共轭的方式连接时,由于他们之间独特的空间电荷转移行为,也可以在分子内诱导产生TADF现象,这是目前构筑高性能TADF电致发光材料的一个重要方式。例如邻位连接的给体和受体单元因其有效的空间距离拉大,通过化学键作用的电荷转移过程会减弱,有些分子体系便会向空间电荷转移过渡。分子的π空间堆叠伴有本征的空间构象分离,可以抑制通过化学键主导的电荷转移过程,因此也是一种有效的TADF材料设计方案。还有一些桥连基团可以有效地打断分子内的共轭,使得最高被占据的分子轨道(HOMO)和最低未被占据的分子轨道(LUMO)更有利于在空间分布上产生分离,而这本身恰好满足了TADF材料设计的一个重要原则,自然而然地有利于维持较小的单线态和三线态能级差,可用于构筑高性能的TADF材料和电致发光器件。树枝状分子和聚合物具有更多样的空间排列,为给体和受体单元组合实现空间电荷转移提供了更多可行的方案,这也是未来开发溶液加工型TADF材料和器件的一个重要途径。

另外本文还强调了新型给体和受体单元的设计、分子排列方式以及聚集态行为对TADF发光机制的影响,这类材料未来将在显示、照明、生物医疗等方面发挥作用,具有广阔的应用前景。

论文信息:

Thermally activated delayed fluorescence beyond through-bond charge transfer for high-performance OLEDs

Qin Xue, Guohua Xie*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202002204