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華南理工大學(xué)趙祖金教授課題組《Adv. Mater.》：小極性大位阻敏化材料實(shí)現(xiàn)高色純度高效率超熒光器件
2023-04-14  來(lái)源：高分子科技

  超熒光（HF）器件是一種利用熱活化延遲熒光（TADF）材料來(lái)敏化具有窄發(fā)射光譜的純有機(jī)分子，例如多重共振（MR）-TADF分子，從而實(shí)現(xiàn)高效率和高色純度電致發(fā)光的技術(shù)。具有紅、綠光發(fā)射的MR-TADF分子由于其外圍往往修飾有較強(qiáng)的給電子或吸電子基團(tuán)，在大極性的環(huán)境下容易發(fā)生長(zhǎng)程電荷轉(zhuǎn)移（LRCT）態(tài)，導(dǎo)致發(fā)射光譜的半峰寬（FWHM）增大，色純度降低（圖1A）。而傳統(tǒng)TADF分子由于其特有的給體-受體（D-A）結(jié)構(gòu)，分子極性往往較大，不利于提高超熒光器件的色純度。利用一些小極性的咔唑類主體材料能夠一定程度上改變這個(gè)劣勢(shì)，但是其較大的能量勢(shì)壘導(dǎo)致器件啟動(dòng)電壓升高、功率效率降低，對(duì)器件穩(wěn)定性的提升也是非常不利（圖1B）。


圖1. A) 環(huán)境極性對(duì)多共振熱活化延遲熒光(MR-TADF)分子BN2電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)的影響。B)傳統(tǒng)主體、激基復(fù)合物主體和新型的小極性和小勢(shì)磊主體的機(jī)制對(duì)比。


  近日，華南理工大學(xué)趙祖金教授等設(shè)計(jì)了一種新型的低極性大位阻敏化材料（BTDMAC-XT）。該分子有一個(gè)D-A-D型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其外圍修飾大位阻的叔丁基，具有降低分子間的作用力和整體的極性、有效抑制發(fā)光猝滅的特性（圖2A）。BTDMAC-XT本身具有優(yōu)異的電致發(fā)光性能，基于BTDMAC-XT制備的非摻雜器件能夠?qū)崿F(xiàn)26.7%的外量子效率（EQE）。將BTDMAC-XT與小極性的咔唑主體相結(jié)合，所制備的高濃度（50 wt%）摻雜器件具有29.3%的EQE（圖2B），最大亮度（Lmax）超過(guò)200000 cd/m2。同時(shí)在1000 cd/m2的初始亮度下，器件的工作壽命相比于沒(méi)有叔丁基修飾的對(duì)照分子（BDMAC-XT）有大約三倍的提升（圖2C）。從理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，BTDMAC-XT具有成為超熒光器件敏化材料的潛力。 


圖2. A) BDMAC-XT和BTDMAC-XT的分子結(jié)構(gòu)式和BTDMAC-XT的HOMO、LUMO軌道分布。 B) BTDMAC-XT的非摻雜器件和摻雜器件的外量子效率（EQE）—亮度（L）—功率效率（PE）曲線。C)BTDMAC-XT和BDMAC-XT的壽命曲線。


  為了驗(yàn)證BTDMAC-XT的小極性的特性，該工作分別用BTDMAC-XT和BDAMC-XT作為目標(biāo)MR-TADF分子BN2的敏化主體制備了超熒光器件HF1和S1。HF1的光色和效率都優(yōu)于S1，并且BN2的發(fā)光色坐標(biāo)也從最初報(bào)道的（0.38, 0.62）提升至（0.279, 0676），FWHM也從45 nm縮小至38 nm，印證了BTDMAC-XT作為敏化主體的優(yōu)越性。為了進(jìn)一步提升效率，該工作將BTDMAC-XT與咔唑類主體材料相結(jié)合，設(shè)計(jì)了50 wt% BTDMAC-XT: mCBP和50 wt% BTDMAC-XT: mCPBC敏化體系，制備了超熒光器件HF2（mCBP）和HF3（mCPBC）。這兩種敏化體系兼具高敏化效率和低環(huán)境極性的特點(diǎn)，同時(shí)由于BTDMAC-XT的濃度較高，能夠有效降低載流子的注入勢(shì)磊，HF2和HF3器件分別實(shí)現(xiàn)了高達(dá)146.3 lm/W和166.3lm/W的功率效率（PE）（圖3A），這是目前報(bào)導(dǎo)的綠色超熒光器件的最高PE（圖3B）；谶@類敏化體系制備的超熒光器件的穩(wěn)定性也很優(yōu)異，由5000 cd/m2亮度下的壽命可以預(yù)測(cè)出在100 cd/m2的初始亮度下的壽命長(zhǎng)達(dá)40309 h，并且在測(cè)試前后器件中未發(fā)現(xiàn)壞點(diǎn)，證明了該體系在實(shí)際器件應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性（圖3C）。 


圖3. A) HF2、HF3的外量子效率（EQE）—亮度（L）—功率效率（PE）曲線。B)該工作報(bào)導(dǎo)的超熒光器件的功率效率與具有代表性的綠光器件對(duì)比，以及對(duì)應(yīng)的CIEy值的關(guān)系。C)基于新型敏化主體的超熒光器件的壽命以及壽命測(cè)試后的器件照片。


  該工作通過(guò)設(shè)計(jì)低極性大位阻敏化材料，制備了目前文獻(xiàn)報(bào)道最高性能的綠色超熒光器件，研究?jī)?nèi)容以“Energy-Efficient Stable Hyperfluorescence Organic Light-Emitting Diodes with Improved Color Purities and Ultrahigh Power Efficiencies Based on Low-Polar Sensitizing Systems”為題發(fā)表在Advanced Materials上。該工作的第一作者是華南理工大學(xué)博士研究生劉昊，通訊作者為華南理工大學(xué)趙祖金教授。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目（21788102）等的支持。


  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202212237 

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（責(zé)任編輯：xu）
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