Advanced Optical Materials:利用重原子效应调控聚集诱导延迟荧光材料发光性质实现高性能OLED器件

有机发光二极管(OLED)具有低功耗、快响应、柔性显示等诸多优点,在有机光电领域备受关注。与普通荧光和磷光材料相比,热活化延迟荧光(TADF)材料不仅能够实现高的激子利用率,同时具有价格低廉、环境友好等特点,受到了研究者们的青睐。对于TADF材料而言,提高材料的反向系间窜越速率(kRISC)有助于降低三线态激子的浓度猝灭和激子湮灭等问题,提升OLED器件的性能。根据费米黄金法则,kRISC可以正比于材料的自旋轨道耦合(SOC)系数,反比于材料的单线态-三线态能级差(ΔEST)。通常情况下,TADF材料都具有较小的ΔEST以实现三线态激子的反向系间窜越过程。因此,增大TADF材料的SOC系数成为了提高kRISC另一种有效的方式。研究表明,卤素原子能够通过重原子效应增强分子的SOC作用,加快kRISC,提升OLED器件性能。然而,另一方面,卤素原子的引入也常常会导致材料发光效率的降低。引入卤素原子可能会对材料的光物理性质造成截然不同的影响,但是相关的内部机制还是不大清楚。

最近,华南理工大学赵祖金教授团队在聚集诱导延迟荧光(AIDF)分子的不同位置中引入溴原子,制备了一系列溴代有机发光小分子。这些分子结构扭曲,溶液态延迟荧光不明显,聚集态下展示出明显的延迟荧光性质。光物理测试表明,这些材料在固态下的发光效率(PLQY)和kRISC随溴原子取代位点的变化表现出了明显的差异。当溴原子取代位点位于苯基咔唑结构单元上时,该类材料不仅具有大的kRISC,同时表现出高的PLQY。而当溴原子取代位点位于羰基相邻苯环以及吩噁嗪结构单元上时,这些分子的kRISC虽然更高,但是PLQY却大大降低。结合晶体结构和理论计算分析发现,溴原子与分子轨道间的相互作用可能是导致这一现象的重要原因。溴原子与分子轨道之间距离的不同导致了其对于分子轨道的贡献占比的差异,引起了材料SOC作用的变化,并最终对材料的光物理性质造成了不同程度的影响。基于该类材料分别制备了一系列非掺杂和掺杂OLED器件,最大外量子效率分别可达19.5%和28.6%,并且在高发光亮度下表现出低的效率滚降。通过溴原子与AIDF材料发光性质间的构效关系研究,有助于推动高性能延迟荧光材料的设计和高效率低滚降OLED器件的制备。

图1 自旋轨道耦合系数、荧光量子效率、分子前线轨道分布和溴原子对分子轨道贡献占比

论文信息:

Regulating Photophysical Property of Aggregation-Induced Delayed Fluorescence Luminogens via Heavy Atom Effect to Achieve Efficient Organic Light-Emitting Diodes

Jingwen Xu, Xing Wu, Jinshi Li, Zujin Zhao*, Ben Zhong Tang

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202102568

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202102568