研究背景
随着超高清显示技术的迅速发展，对高效且超纯发光的深蓝色发射材料的需求日益增长。在这一背景下，深蓝色有机发光二极管（OLED）中的发射体备受关注。深蓝色发射材料的开发对OLED的整体性能至关重要，特别是在实现高色彩饱和度和色纯度方面。深蓝色发光体的一个重要概念是热激活延迟荧光（TADF），其通过实现100%的内部量子效率而备受期待。然而，目前的蓝色磷光材料和TADF发射材料面临着色纯度不足的问题，主要原因是分子结构的松弛和第一单重态（S1）与基态（S0）之间的振动耦合。这导致了宽的半峰全宽（FWHM）和光谱拖尾，严重影响了器件的光效和稳定性。为了解决这些问题，深圳大学杨楚罗教授等人在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Deep-blue organic light-emitting diodes for ultrahigh-definition displays”的最新论文。科学家们提出了一种基于多重共振（MR）结构的TADF材料设计策略，通过工程化的多环芳烃结构，特别是引入邻位连接的氮/硼原子，成功实现了具有窄FWHM和高色纯度的蓝色发光体。本研究的主要目标是通过创新的分子设计，开发出能够满足BT.2020蓝色标准的深蓝色MR-TADF发射体。为此，研究者们设计了一种高度扭曲的双硼基MR-TADF核心结构，并将其嵌入到线性扩展的π-骨架中，以同时实现高自旋轨道耦合（SOC）和小的激发态能量差（ΔEST），从而加速三重态的逆系间窜跃（RISC）过程。本研究成功解决了传统深蓝色发射体中存在的色纯度不足和效率下降问题。通过合理的元素选择与结构设计，研究者们开发出了一种具有超窄发射带（FWHM 12 nm）和快速激子动力学的发射材料。该材料不仅在溶液状态下实现了超高的光致发光量子产率（ФPL），而且在OLED器件中也展示了出色的外量子效率（EQE），满足了BT.2020的蓝色标准，并在实际应用中表现出优异的性能。此研究为实现超高清显示技术中的高效深蓝色OLED器件提供了一条新的技术路径。
科学亮点
1. 实验首次通过构建扭曲的多硼基框架与完全共振的结构，开发出高性能的深蓝色MR-TADF发射体。这种发射体在深蓝区域内表现出超窄发射带（FWHM 12 nm）和接近100%的量子产率（ФPL），这是通过扩展的核心结构、高结构刚性、非键合特性以及合理的元素组合实现的。2. 实验通过优化分子设计，显著加速了三重态上转换过程。具体而言，通过引入扭曲结构，实现了较大的自旋轨道耦合（SOC）矩阵元，同时通过线性扩展的MR-TADF骨架设计，实现了小的激发态能量差（ΔEST），从而使得kRISC值达到了106 s–1量级。这一设计还达到了优先的水平发光偶极取向（达到97%），显著提高了光的输出耦合效率。 3. 在OLED器件中应用这种优化后的发射体，成功满足了BT.2020蓝色标准并取得了领先的性能。具体表现为EQEmax/1,000分别达到了39.2%/28.7%，且FWHM仅为14 nm。通过进一步整合TADF敏化剂，器件性能进一步提升，EQEmax/1,000分别达到了44.6%/38.8%，并保持了窄的发射谱。此外，采用串联器件架构，在深蓝区域内实现了EQEmax/1,000分别为74.5%/65.3%的最先进效率。
图文解读
图2：DPA-B2 、 DPA-B3 、 DPA-B4和Cz-B4的光物理性质。
图3：基于DPA-B2 、 DPA-B3 、 DPA-B4和Cz-B4的非敏化OLED的EL性能。图4: 基于 DPA-B4 的 HF 器件和两单元串联 HF 器件的 EL 性能。
总结展望
本文的研究成果通过设计扭曲的多硼基框架并将其集成到线性扩展的π骨架中，研究展示了实现极窄发射带（FWHM为12 nm）和高量子产率（ФPL）的有效途径。这一创新结构显著提高了光谱纯度和发光效率，为深蓝色OLED的性能提升提供了新的思路。其次，优化三重态上转换过程（RISC）是提高发光效率的关键。实验表明，通过调节自旋轨道耦合（SOC）和减少激发态能量差（ΔEST），可以实现高效的三重态上转换，达到106 s–1的快速上转换速度。这一发现揭示了调控分子结构以增强SOC和减小ΔEST的重要性，为设计高效的MR-TADF发射体提供了理论依据。最后，本文展示了将TADF敏化剂和串联器件架构相结合的策略，显著提升了OLED的外量子效率（EQEmax）至74.5%。这些成果表明，优化材料设计与器件结构的联合应用，可以突破传统发光体的性能极限，为深蓝色OLED及其在超高清显示中的应用开辟了新的前景。Hua, T., Cao, X., Miao, J. et al. Deep-blue organic light-emitting diodes for ultrahigh-definition displays. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01508-w
