Fluolab【JACS】精准设计窄带荧光材料——芳香性局域化的突破性应用
摘要
在高分辨率有机发光二极管（OLED）领域，实现窄带荧光对于提高显示质量至关重要。然而，现有的多环芳烃（PAHs）荧光材料在光谱带宽方面仍存在挑战，主要原因是其电子结构及分子振动特性未被充分理解和优化。本研究提出了 芳香性局域化效应（ALE） 作为一种新的预测框架，以实现窄带发光材料的精准设计。通过核无感化学位移（NICS）分析，我们发现局域化的芳香性能够有效降低分子振动耦合，从而抑制光谱肩峰并显著减少光谱展宽。此外，研究团队设计了一类 亚胺-胺型（IA）PAHs，其独特的电子结构成功实现了红光（660 nm, 35 nm 带宽）和绿光（550 nm, 40 nm 带宽）的窄带发射。OLED器件采用该材料后，不仅符合 BT.2020 红光标准，还展现出较高的发光效率和低效率滚降，标志着深红光OLED技术的新突破。
研究背景
多环芳烃（PAHs）因其拓展的 π 共轭结构和可调节的光电特性，在有机电子器件中广泛应用，包括有机场效应晶体管（OFETs）、有机光伏（OPVs）和 OLEDs。然而，受限于电子结构和分子振动模式，窄带荧光材料的设计仍面临挑战。
多重共振（MR）效应被广泛用于设计窄带荧光材料。例如，Hatakeyama 团队在 2016 年开发了一类 B/N 掺杂 PAHs，其极化前沿分子轨道（FMO）显著缩小了荧光带宽。然而，尽管 MR 型材料表现出优异的发光性能，许多非 MR 结构的 PAHs 仍能实现窄带发射，提示我们需要新的理论框架来解释其机理。
芳香性局域化效应（ALE）
分子荧光光谱的半高宽（FWHM）由 分子振动耦合 和 激发态结构弛豫 共同决定。PAHs 由于其刚性骨架，通常能抑制结构弛豫，但高频振动（1300–1800 cm⁻¹）导致不必要的肩峰和光谱拓宽。因此，本研究提出芳香性局域化（ALE）作为一种新策略，以减少分子振动耦合，从而优化荧光发射性能。
通过 NICS 分析，研究团队发现 局域化芳香性 可减少振动耦合并显著降低光谱肩峰。这一理论框架成功解释了 DBP 和 四元环嵌入型环芳烃 MF2 作为窄带发光材料的特性，也为设计新型窄带荧光材料提供了指导。
亚胺-胺型（IA）PAHs 的精准设计
为了验证 ALE 的理论框架，研究团队设计并合成了一类 IA-PAHs，其电子结构采用 电子缺陷亚胺（imine）和电子丰富胺（amine） 单元，以实现共振结构的优化。该设计具有以下优势：
- 局域化芳香性——减少肩峰，提高荧光纯度；
- 短程电荷转移（ICT）——优化分子轨道分布，实现红光和绿光发射；
- 受立体障碍引导的 C–H 活化——精准合成，实现区域选择性控制。
最终，团队成功获得了一款高效红光发射材料 II-b，其荧光峰值为 660 nm，带宽仅为 35 nm（0.10 eV），为窄带发光材料设立了新标杆。
光电性能与OLED器件优化
研究团队进一步验证了 IA-PAHs 在 OLED 领域的应用潜力：
- 光谱纯度提升：II-b 的 OLED 器件完全符合 BT.2020 红光标准（CIE = [0.71, 0.29]），实现了 高色纯度红光发射；
- 高效能发光：II-b 器件的 外量子效率（EQE）最高可达 22.6%，在 5000 cd m⁻² 高亮度下仍维持 20.4% EQE，显示出极低的效率滚降；
- 良好的热稳定性：II-b 的分解温度（T₅D）达 497°C，适合真空蒸镀工艺；
- 广泛可调性：团队还开发了 III-b（绿光）和 III-c（黄绿光） 材料，分别实现 542 nm 和 530 nm 的窄带发射，其 OLED 器件表现出 EQE 最高达 29.0%。
Table 1. Summary of the Performances of the OLED Performances
| emitter | ELpeak [nm] | CIE [x, y] | fwhm [nm]/[eV] | EQEmax/1000/5000 [%] |
|---|---|---|---|---|
| II-b | 656 | [0.71, 0.29] | 61/0.17 | 22.6/21.5/20.4 |
| III-b | 542 | [0.40, 0.58] | 40/0.16 | 26.7/24.8/20.8 |
| III-c | 530 | [0.33, 0.62] | 41/0.18 | 29.0/27.0/22.6 |
结论与展望
本研究提出了 芳香性局域化效应（ALE） 作为窄带荧光材料的设计原则，并通过 NICS 分析和精准有机合成 研发出 亚胺-胺型（IA）PAHs。其中，**II-b 红光材料突破了传统荧光材料的发光带宽限制，完全符合 BT.2020 标准，为深红光 OLED 技术设立新标杆。**此外，绿光和黄绿光 IA-PAHs 也表现出优秀的光电性能，预示着其在 高色纯度显示与精准发光 领域的广泛应用前景。
参考文献
Wu, Y.; Liu, J.; Yang, G.; Bin, Z.; You, J. Aromaticity Localization Effects in Polycyclic Aromatic Hydrocarbons for Discovering Narrowband Fluorescence Materials. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.5c05112. https://doi.org/10.1021/jacs.5c05112.