【Adv.Funct.Mater.】外部量子效率达31.8%且寿命超12000小时!外围多硅修饰策略突破绿光MR-TADF OLED性能瓶颈

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【Adv.Funct.Mater.】外部量子效率达31.8%且寿命超12000小时!外围多硅修饰策略突破绿光MR-TADF OLED性能瓶颈

【Adv.Funct.Mater.】外部量子效率达31.8%且寿命超12000小时!外围多硅修饰策略突破绿光MR-TADF OLED性能瓶颈#

文章标题:Polyarylsilyl Modification of Multi‐Resonance Thermally Activated Delayed Fluorescence Framework Enhances the Efficiency and Stability of Narrowband Green OLEDs

文章作者:Xiudan Zhang, Zhuixing Xue, Zhiyi Chen, Wenhui Yu, Bowen Zheng, Jingsheng Miao, Yuxuan Hu, Chuluo Yang

文章链接https://doi.org/10.1002/adfm.77536

文章概要#

有机发光二极管发光材料的效率、色纯度与运行稳定性是决定显示性能的核心指标。多重共振热激活延迟荧光(MR-TADF) 材料凭借窄带发射和高发光效率在高清显示领域展现出巨大的应用潜力。本研究提出了一种外围多硅基团功能化策略,通过在单硼MR-TADF骨架外围引入大体积的1,3-双(三苯基硅基)苯(BTPSP) 基团,开发出全新的高效绿光发光材料BN-I2S。该分子在保持固有窄带光谱特性的同时,显著提升了热稳定性水平过渡偶极取向比例。基于该材料制备的敏化电致发光器件实现了31.8%的最大外部量子效率,在1000 cd/m²初始亮度下的LT80运行寿命达到12087小时,比对比分子提升了2.2倍,为兼具高效率、高色纯度与长寿命的OLED发光材料设计提供了实用途径。

引言#

新型显示技术的快速发展对有机发光二极管提出了更高的要求,开发兼具高光电转换效率、高色纯度和长使用寿命的发光材料始终是该领域的研究热点。近年来,多重共振热激活延迟荧光(MR-TADF)材料因其独特的电子结构备受关注。这种材料利用硼、氮等原子在刚性多环芳香骨架中的交替分布,实现了前线轨道在原子尺度上的分离,有效抑制了激发态结构弛豫,从而展现出固有窄带发射和高荧光量子产率。

然而,传统的MR-TADF分子大多具有高度平面化的刚性结构,在固态薄膜中极易发生分子间堆积,进而导致聚集导致猝灭(ACQ)现象或光谱拓宽。此外,这类材料在大电流密度或高亮度条件下的运行稳定性仍有待提升。为了解决这些难题,对分子外围进行立体位阻修饰被证明是一种简单有效的手段。研究团队设计将含有两个硅原子的三维大体积基团引入MR发光骨架外围,旨在调节分子堆积和光学取向,同时增强物理化学稳定性。

Fig.1 Molecular design of BN-I2S. (a) The molecular design strategy of BN-IP and BN-I2S. (b) Frontier molecular orbital distributions and calculated excited-state energy levels of BN-IP and BN-I2S. (c) Reorganization energy and (d) Huang-Rhys factors of BN-IP and BN-I2S.#

主要实验及结论#

研究团队合成了目标分子BN-I2S以及作为对照的苯基取代分子BN-IP,其合成路线与分子结构如图1所示。结构表征与热重分析结果显示,外围引入多硅基团显著增强了分子的热稳定性。BN-I2S的5%热失重温度高达505℃,明显优于对照分子BN-IP的454℃。这种出色的热稳定性完全符合真空热蒸镀制备OLED器件的高温工艺要求,体现出多硅基团对增强分子结构坚固性的积极作用。

单晶X射线衍射分析进一步揭示了分子在聚集态下的堆积模式,如图2所示。BTPSP基团显著拉长了分子的轴向尺寸,使其在晶体中呈现出倾斜的J型聚集形态。大体积的BTPSP基团充当了立体屏障,有效隔离了相邻的棒状发光核心,减弱了过度的π-π相互作用,从而成功抑制了固态下的发光猝灭。同时,理论计算表明,BN-I2S的前线轨道主要集中在MR核心上,外围硅基团对轨道分布的干扰极小,因此分子完美保留了MR核心的窄带发光特性。黄-里斯因子分析也证实,引入BTPSP降低了高频振动区域的振动耦合,预示着非辐射复合通道得到了有效抑制。

Fig.2 Crystal packing and photophysical properties of the emitters. (a) Crystal packing diagrams along the a (a), b (b), c (c) axes (The BN-embedded polycyclic frameworks are colored green, and the peripheral BTPSP groups are shown in magenta). (d) Top and side views of the dimer. (e) The UV–vis spectra and fluorescence spectra of BN-IP and BN-I2S in diluted toluene (1.0 × 10−5 M) (Insets show photographs of the toluene solution upon irradiation of 365 nm ultraviolet light). (f) The fluorescence spectra of BN-IP and BN-I2S in 3 wt.% DMIC-TRZ doped films (Insets show the corresponding film photographs under 365 nm UV light irradiation). (g) Transient PL decay curves of BN-IP and BN-I2S in 3 wt.% DMIC-TRZ doped films.#

在光物理性质测试中,如图2所示,BN-I2S在甲苯稀溶液中展现出521 nm的发射峰,半峰全宽仅为21 nm。在3 wt%浓度的掺杂薄膜中,BN-I2S保持了高达99%的荧光量子产率。更重要的是,变角度偏振光光致发光光谱测量结果表明,BN-I2S在薄膜中的水平过渡偶极取向比例(Θ//)高达95%,远高于对照分子BN-IP的86%。这种高度趋向于平行于衬底的偶极取向能够大幅减少光在器件内部的波导损耗,从而显著提升光出射效率。

Fig.3 Performance for binary device. (a) Device structure. (b) EL spectra (recorded at a luminance of 1000 cd m−2). (c) EQE-L curves. (d) The CE-L and PE-L curves. (e) J-V-L curves. (f) CIE coordinates of BN-IP-based and BN-I2S-based devices at luminance of 1000 cd m−2, inset: device photographs.#

在电致发光器件性能方面,研究团队构建了二元及三元敏化OLED器件,如图3和图4所示。在二元器件中,BN-I2S展现出527 nm的窄带绿光发射,半峰全宽为27 nm,最大外部量子效率达到了28.2%。为了进一步释放材料的潜能并延长器件寿命,研究人员在发光层中加入磷光客体Ir(ppy)₃构建三元敏化器件。如图4所示,高效的能量转移使得敏化器件的最大外部量子效率进一步提升至31.8%,最大功率效率达到150.1 lm/W。

Fig.4 Performance for phosphor-sensitized device. (a) EL spectra (recorded at a luminance of 1000 cd m−2). (b) The EQE-L curve. (c) J-V-L curves. (d) Luminance-deterioration curve at the initial luminance (_L_0) of 5000 cd m−2 (LT(1000 cd m−2) = LT(L0) × [L0 / (1000 cd m−2)]n, with an empirical acceleration factor of n = 1.75).#

器件运行稳定性的测试结果令人瞩目,如图4所示。在初始亮度为5000 cd/m²的加速老化测试中,基于BN-I2S的三元敏化器件表现出显著优于对照器件的耐久性,其LT80寿命达到723小时。根据经验公式推算至1000 cd/m²的常用初始亮度下,BN-I2S器件的LT80寿命达到了12087小时,约为对比分子BN-IP器件的2.2倍。这表明大体积多硅基团不仅能够优化分子取向,还能在器件运行过程中有效减弱分子的相互作用,抑制有害的德克斯特能量转移,从而大幅降低电应力并延长器件寿命。

总结及展望#

本研究成功开发了一种通过外围引入大体积双硅多芳基基团来全面提升MR-TADF材料综合性能的分子设计策略。生成的发光分子BN-I2S在完美保留高色纯度窄带绿光发射的同时,实现了高达95%的水平偶极取向、接近100%的固态荧光量子产率以及超过500℃的热分解温度。

这一成果不仅克服了MR-TADF材料在高效率与高稳定性之间难以兼得的长期瓶颈,还将敏化器件的运行寿命提升至一万小时以上。该外围多硅修饰策略具有良好的通用性与可扩展性,未来有望推广应用至红光及蓝光MR-TADF体系的开发中,为下一代超高清、低功耗及长寿命OLED显示屏的工业化应用提供坚实的材料基础。

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作者
Fluolab
发布于
2026-08-11
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