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華南理工大學(xué)趙祖金教授課題組 Sci. Adv.: 純有機室溫磷光敏化劑制備高性能超熒光OLED
2025-03-24  來源：高分子科技

  有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode, OLED）是一種具有自發(fā)光、輕薄、柔性、節(jié)能等優(yōu)勢的新型顯示和照明技術(shù)。在基于多重共振延遲熒光（multi-resonance thermally activated delayed fluorescence, MR-TADF）材料的OLED器件中，引入磷光材料作為敏化劑，可以得到高效率、窄光譜、長壽命的超熒光OLED器件，在超高清顯示領(lǐng)域中有較好的應(yīng)用前景。不同于含有銥、鉑等金屬的傳統(tǒng)磷光材料，純有機室溫磷光（room-temperature phosphorescence, RTP）材料成本低廉，對環(huán)境友好，更有利于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，受限于現(xiàn)階段純有機RTP分子較低的系間竄越速率和磷光量子產(chǎn)率，基于純有機RTP發(fā)光客體或敏化劑的OLED器件性能仍未達(dá)到預(yù)期，這阻礙了RTP材料在OLED技術(shù)中進(jìn)一步的應(yīng)用。


圖1. 兩種純有機RTP材料的結(jié)構(gòu)與性能對比


  近日，華南理工大學(xué)趙祖金教授課題組開發(fā)了一種基于噻噸酮的高效RTP分子3,2-PIC-TXT（圖1）。3,2-PIC-TXT的吸收峰位于380 nm，對應(yīng)其分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)吸收。在氮氣環(huán)境下，3,2-PIC-TXT的光致發(fā)光峰位于513 nm。若在3,2-PIC-TXT的甲苯溶液中通入氧氣，則其光譜會迅速減弱且藍(lán)移，這與已報道的RTP分子3,2-PIC-XT類似。進(jìn)一步通過測試不同溫度下的發(fā)光壽命和室溫下的時間分辨光譜，確定了3,2-PIC-TXT室溫下磷光發(fā)射的特性（圖2）。由于硫的重原子效應(yīng)，3,2-PIC-TXT的磷光輻射躍遷速率（kphos = 6.8 × 105 s–1）、磷光成分占比（rphos= 98.3%）相比3,2-PIC-XT（kphos = 2.4 × 105 s–1，rphos = 64.6%）都有了顯著提升。


圖2. 3,2-PIC-TXT的光物理性質(zhì)


  隨后，作者以3,2-PIC-TXT、3,2-PIC-XT為發(fā)光客體制備了摻雜OLED器件，并與傳統(tǒng)磷光材料Ir(ppy)3進(jìn)行對比（圖3）；3,2-PIC-TXT的摻雜OLED器件的電流效率（CE）、功率效率（PE）和外量子效率（EQE）峰值分別為92.2 cd A–1、96.6 lm W–1 和33.2%，效率滾降較小，性能優(yōu)于3,2-PIC-XT（87.9 cd A–1、96.8 lm W–1和30.8%）及Ir(ppy)3（90.8 cd A–1、83.8 lm W–1和25.2%）。


圖3. RTP磷光材料和金屬絡(luò)合物磷光材料的摻雜器件性能對比


  進(jìn)一步地，作者將3,2-PIC-TXT、3,2-PIC-XT和Ir(ppy)3作為敏化劑，BN2、tCzphB-Fl和tCzphB-Ph這三種MR-TADF材料作為發(fā)光客體，制備了一系列磷光敏化MR-TADF超熒光OLED器件（圖4）。這些超熒光器件都表現(xiàn)出優(yōu)異的效率和較窄的半峰寬。其中，以3,2-PIC-TXT為敏化劑的超熒光器件效率最優(yōu)，其CE、PE和EQE分別達(dá)到150.9?179.9 cd A–1、165.2?195.7 lm W–1和40.9%?43.8%。作者還利用3,2-PIC-TXT敏化劑和tCzphB-Fl客體構(gòu)筑了層間敏化器件，不僅簡化了制備工藝，還實現(xiàn)了優(yōu)異的器件性能（165.4 cd A–1、155.1 lm W–1和40.2%）；層間敏化器件的效率滾降相比傳統(tǒng)同相敏化器件更。1000 cd m–2下的EQE仍保持在30.5%）。


圖4. 磷光敏化劑制備MR-TADF超熒光OLED器件的性能


  最后，作者評估了基于RTP敏化劑的超熒光OLED的器件工作穩(wěn)定性（圖5）；3,2-PIC-TXT敏化劑和tCzphB-Fl客體的超熒光器件，在10000 cd m–2的起始亮度下，LT80（亮度衰減至起始亮度80%的時間）為110.1小時，優(yōu)于3,2-PIC-XT敏化劑（82.3小時）和不含敏化劑的器件（15小時）。綜上所述，RTP敏化劑的引入有利于提升MR-TADF器件的效率和穩(wěn)定性，并且通過引入硫的重原子效應(yīng)，器件的綜合性能還可以進(jìn)一步得到提升。


圖5. RTP敏化MR-TADF超熒光器件的工作壽命、色坐標(biāo)；文獻(xiàn)報道的綠光MR-TADF器件與本文報道的RTP敏化MR-TADF器件性能對比


  以上研究論文以“Purely organic room-temperature phosphorescence sensitizers for highly efficient hyperfluorescence OLEDs”為題發(fā)表在Science Advances（2025, 11, eadt7899）上。論文第一作者是華南理工大學(xué)的曾嘉杰博士，通訊作者是華南理工大學(xué)趙祖金教授。該工作受到國家自然科學(xué)基金（22375066、U23A20594和21788102）和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2023B1515040003）的資助支持。


  全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt7899

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