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【JACS】突破性进展！受体树枝化策略成功实现高效有机室温磷光 ​

摘要： ​

近年来，有机室温磷光（RTP）材料因其在光电器件、信息安全以及生物成像等领域的广泛应用前景而备受关注。尽管RTP材料和真空沉积型有机发光二极管（OLED）器件取得了重要进展，但基于溶液处理的OLED性能仍然远远落后，主要原因在于如何在单分子尺度上平衡激子的稳定性和溶液可加工性仍然存在巨大挑战。本文提出了一种创新性的受体树枝化策略，通过在分子层面上优化磷光激发与跃迁过程，实现高效稳定的RTP发射。研究发现，这一策略能够增加系间窜跃通道，提升最低三重态（T₁）到基态（S₀）之间的自旋轨道耦合常数，同时抑制分子运动，从而促进三重态激子辐射跃迁并有效减少非辐射跃迁损失。

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本研究所开发的受体树枝化树枝状化合物，在环境溶液中展现出毫秒级长寿命磷光，并在掺杂薄膜中实现近乎100%的光致发光量子产率。这是迄今为止首例成功报道的RTP树枝状分子。此外，基于该树枝状分子的OLED器件在天蓝光发射方面达到了25.1%的外量子效率（EQE），这一突破性的结果刷新了溶液处理型RTP-OLED的最高效率记录。这项研究不仅提供了RTP材料的分子工程设计指南，还为光电应用领域的创新RTP系统开发奠定了坚实基础。

研究背景与挑战 ​

有机室温磷光（RTP）是一种利用三重态激子进行辐射跃迁的光学现象，近年来在光电子器件、信息防伪、生物成像和传感等领域表现出巨大应用潜力。然而，由于RTP发光的系间窜跃（ISC）受自旋禁阻效应的限制，其本征磷光量子产率通常低于理论极限。此外，传统策略如结晶、基质刚化和超分子自组装虽能提高三重态激子的稳定性，但往往牺牲了材料的可加工性，使其难以满足实际应用需求。

近年来，研究人员尝试采用不同策略提升RTP发光效率，包括真空沉积和溶液加工型RTP材料。例如，利用含有丰富孤电子对的杂原子（O、N、S、P）增强自旋轨道耦合（SOC），或者构建扭曲的供体-受体（D-A）结构以降低单线态与三重态的能量差（ΔE_ST），然而这些方法仍无法兼顾材料溶液可加工性与磷光效率。

为解决这一难题，本文提出受体树枝化策略，该策略能够同时增强磷光过程中多个关键步骤，包括提升自旋轨道耦合常数、增加系间窜跃通道、抑制分子运动，从而促进磷光发射并减少非辐射跃迁损耗。这种策略的核心思想在于通过树枝化结构增强受体的三重态空穴密度，提高T₁态的局部激发（LE）特性，从而有效提高SOC常数并促进磷光辐射跃迁。

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受体树枝化策略的分子设计 ​

传统的供体树枝化（D-D′）策略往往导致过强的电子供给效应，削弱受体三重态的空穴密度，进而降低SOC强度和自旋翻转过程的效率。而受体树枝化则通过增加受体的三重态空穴密度，使得激子跃迁更为高效。

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研究人员选择BPSAF分子作为研究基体，其由强碳酰受体与扭曲的螺[吖啶-9,9'-芴]（SAF）供体组成，不仅实现了小ΔE_ST，同时具备较大的SOC常数。然而，尽管BPSAF展现出高效系间窜跃，其RTP发射仍然难以实现。因此，研究团队采用高度分支的树枝状分子，例如含刚性外围咔唑树枝的1,3,5-三（3',6'-二叔丁基-9H-[3,9'-二咔唑]-9-基）苯（TC），将其连接到苯酮（BP）受体以形成受体树枝化结构dTC-BPSAF。这种分子结构不仅增加了分子间相互作用，从而产生能级分裂并增强ISC通道，还显著提升了BP受体的三重态空穴密度，提高了SOC常数，使得三重态激子更稳定并促进磷光发射。

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实验表明，dTC-BPSAF在环境稀释甲苯溶液中展现出超稳定的室温磷光，即使在空气充足的环境下依然能够保持较高的光致发光量子产率（PLQY），说明受体树枝化策略能够有效防止三重态激子被氧淬灭，从而实现超稳定的室温磷光。

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OLED器件性能突破 ​

为了进一步降低分子运动并抑制三重态激子淬灭，研究人员将dTC-BPSAF树枝状分子掺杂至宿主薄膜，最终实现了近100%的PLQY。此外，基于该树枝状分子的OLED器件展现出极高的光电转换效率，在天蓝色发射方面达到了EQE的25.1%，创下溶液加工型RTP-OLED的最新纪录。这一成果验证了受体树枝化策略的有效性，为光电应用领域的高效RTP系统开发提供了明确的分子工程设计指南。

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总结与展望 ​

本文研究采用创新性的受体树枝化策略，成功实现了高效有机室温磷光发射，并在溶液加工型OLED器件中取得了突破性的性能提升。这一策略不仅能够促进三重态激子跃迁，提高磷光发射效率，还能够保持良好的溶液可加工性，为未来高效RTP材料的开发提供了全新方向。未来，随着受体树枝化策略的进一步优化和扩展，其在光电子器件、生物成像、信息防伪等领域的应用前景将更加广阔。

参考文献 ​

Li, C.; Lou, Z.; Wu, M.; Ma, F.; Chen, X.; Tan, H.; Liu, Z.; Gao, F.; Qiu, Z.; Zhao, Z.; Hu, L.; Xie, G.; Li, M.; Guo, Y.; Ren, Z.; Zhang, S.; Liu, Y.; Yan, S.; Li, Z.; Xu, B.; Kwok, R. T. K.; Lam, J. W. Y.; Tang, B. Z. Achieving Efficient Organic Room-Temperature Phosphorescence through Acceptor Dendronization. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147 (21), 18317–18326. https://doi.org/10.1021/jacs.5c06288.