中國科大提出解決MR-TADF分子聚集和激子淬滅問題新策略

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近日，中國科學技術大學崔林松教授團隊提出了一種基於激發態與空間位阻協同調控策略，成功解決了MR-TADF分子聚集和激子淬滅問題，並設計合成出一系列新型藍光和綠光MR-TADF分子。相關研究成果以《Excited-State and Steric Hindrances Engineering Enable Fast Spin-Flip Narrowband Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters with Enhanced Quenching Resistance》為題，於2025年1月8日線上發表於期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

有機電致發光二極體（OLED）憑藉其自發光、超輕薄、低功耗等顯著優勢，已成為新一代高品質顯示與照明領域的引領性技術。其中，發光材料是OLED器件的核心功能材料，直接決定器件的發光效率、色純度及壽命等關鍵效能。近年來，多重共振熱致延遲熒光（MR-TADF）材料由於其高發光效率與窄發光半峰寬，在實現高效率、高色純度OLED方面展現出巨大潛力。然而，受其剛性平面結構和原子定域化前線分子軌道分佈限制，目前報道的大多數MR-TADF分子仍面臨嚴重的分子聚集和三線態激子淬滅，極大制約了器件效能的進一步提升，不利於MR-TADF材料的商業化程序。因此，抑制MR-TADF分子的聚集和三線態激子淬滅，成為實現高色純度、高發光效率及高穩定性MR-TADF OLED器件的關鍵科學挑戰。

針對上述問題，研究團隊創新性地提出了一種基於激發態與空間位阻協同調控策略，即將多個咔唑給體基團引入到MR母核中，設計並合成了新型藍光和綠光MR-TADF分子5Cz-BNO和5Cz-BN（見圖1）。這一策略不僅有助於提升MR-TADF分子的反向系間竄躍速率（k_RISC），克服了三線態激子淬滅，還有效抑制了分子間緊密堆積，緩解了其在高摻雜濃度下的光譜展寬問題（見圖2）。基於5Cz-BNO和5Cz-BN的藍光和綠光OLED器件不僅展現出較低的效率滾降和優越的器件穩定性，而且在提高摻雜濃度的情況下，其發射光譜展寬也得到了明顯抑制。

圖1. 相關分子結構和設計策略

圖2. 相關分子的穩態和瞬態發射光譜

理論計算結果表明，5Cz-BNO和5Cz-BN的S₁和T₁態均表現出短程電荷轉移（SRCT）特性，確保了其窄的發射光譜。此外，引入多個咔唑基團誘導高能級長程電荷轉移激發態（LRCT）的形成，有助於增強單線態與三線態之間的自旋軌道耦合，從而促進k_RISC的提升，解決了三線態激子的淬滅問題。此外，單晶分析結果顯示，多咔唑基團的引入使分子構型更加扭曲，有效抑制了分子間的緊密堆積和π-π相互作用（見圖3）。相關的系間竄躍和反系間竄躍過程透過時間分辨熒光與吸收光譜得到了進一步驗證（見圖4）。

圖3. 相關分子的理論計算及單晶結果

圖4. 相關分子的瞬態吸收光譜

最終，基於5Cz-BNO和5Cz-BN分子製備的OLED器件實現了高達30%的外量子效率（EQE），並表現出較低的效率滾降和優越的器件穩定性。在提高摻雜濃度的情況下，器件仍能保持較高的EQE，同時有效抑制了電致發射光譜的展寬。此外，透過敏化策略進一步最佳化，綠光敏化器件的壽命（LT₇₀）達到1150小時，展現出優異的器件效能（見圖5）。

本研究透過協同調控激發態和空間位阻，解決了MR-TADF分子聚集和激子淬滅的問題，實現了在高摻雜濃度下保持高效穩定的藍光和綠光OLED器件的製備，為MR-TADF OLED器件未來的產業化提供了新的設計思路。