武漢大學新研究：橙紅光OLED效率達到29.2%。最近，熱活化延遲熒光（TADF）材料以其獨特性能獲得廣泛關注，被認為是繼傳統(tǒng)熒光材料和重金屬配合物磷光材料之后最具有發(fā)展?jié)摿Φ牡谌�代發(fā)光材料。在過去幾年中，TADF材料的電致發(fā)光性能獲得了長足進步。

在天藍光區(qū)域，其外量子效率（EQE）已接近37%；在綠光區(qū)域，其EQE也已超過30%。而作為全色發(fā)光不可或缺的成分，橙紅光TADF材料的發(fā)展則明顯滯后。截至目前，橙紅光TADF材料的相關報道遠少于藍光和綠光TADF材料，并且基于橙紅光TADF材料的OLED的最高EQE仍停留在17.5%。為了填補這一空白，目前亟待開發(fā)更高效的新型橙紅光TADF材料。

【成果簡介】

近日，武漢大學楊楚羅、龔少龍團隊和臺灣大學吳忠?guī)?吳忠?guī)?（共同通訊）團隊合作，在橙紅光TADF材料研究方面取得了重大進展。該工作基于電子給體-受體（D-A）分子結構，通過結合1,8-萘二酰亞胺（NAI）電子給體單元和不同的芳胺類電子受體單元，9,9二甲基吖啶（DMAC）和9,9-二苯基吖啶（DPAC）, 構建了兩個目標分子NAI-DMAC和NAI-DPAC。兩個化合物均獲得了橙紅光發(fā)射，并且具有高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（60%和79%），優(yōu)異的TADF性能（超過85%的延遲比率）和良好的水平躍遷偶極矩取向性（71%和74%）。

基于這兩種橙紅光TADF材料的OLED獲得了目前最高的橙紅光TADF器件效率：在581-600 nm發(fā)射峰值范圍內，其EQE保持在21-29.2%的高水準。值得強調的是，這是目前首例報道的基于橙紅光TADF材料的EQE超過20%的OLED，并且29.2%的EQE遠超此前已報道的17.5%的紀錄，成為目前橙紅光TADF器件的最高效率。研究人員對高效率器件的內在機制進行了探索，發(fā)現(xiàn)了光學微腔效應對于提升激子利用率和發(fā)光量子產(chǎn)率方面的重要貢獻。

該成果以題為：“Achieving Nearly 30% External Quantum Efficiency for Orange–Red Organic Light Emitting Diodes by Employing Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters Composed of 1,8-Naphthalimide-Acridine Hybrids”，發(fā)表在Advanced Materials上。

【圖文解讀】

圖一 NAI-DMAC和NAI-DPAC的分子結構能級結構研究 

 

a) TADF材料的分子結構式；

b) 密度泛函理論計算得出的分子前線軌道能級和激發(fā)態(tài)能級；

c) 優(yōu)化基態(tài)結構的前線軌道分布（藍色為HOMO,紅色為LUMO）；

d) 單晶結構；

圖二 NAI-DMAC和NAI-DPAC的光致發(fā)光性能研究。 

 

a) NAI-DMAC和NAI-DPAC在甲苯溶液中的紫外可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜；

b) NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的熒光和磷光光譜；

c) NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的瞬態(tài)熒光衰減曲線。

圖三 NAI-DMAC和NAI-DPAC的躍遷偶極矩取向性能研究 

 

a) NAI-DMAC和c) NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的p偏振光致發(fā)光強度相對于發(fā)射角度的分布（實心方塊），擬和曲線（實線）與理論曲線（虛線，各向同性及完全水平取向）；

b) NAI-DMAC 和d) NAI-DPAC基于含時密度泛函理論計算的躍遷偶極矩取向和大小。

圖四 基于NAI-DMAC和NAI-DPAC材料的OLEDs器件性能表征 

 

a) 器件結構，相關材料的能級結構以及分子結構圖；

b-d) 基于NAI-DMAC和NAI-DPAC的OLED器件電致發(fā)光光譜，電流密度-電壓-發(fā)光亮度曲線，EQE和功率效率相對于發(fā)光亮度曲線；

e)單層發(fā)光層薄膜和完整器件的瞬態(tài)光致發(fā)光衰減曲線。

圖五 EQE性能對比 

 

EQE與EL峰值與此前已報道工作的對比。

【小結】

該工作通過合理的分子設計，構建了兩個橙紅光有機發(fā)光分子。這些材料在確保優(yōu)良TADF性能的同時，兼顧了高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率和良好的水平躍遷偶極矩取向性，最終獲得了橙紅光OLED破紀錄的29.2%的EQE，大大超越所有先前報道的橙紅光TADF 器件性能。研究還發(fā)現(xiàn)了光學微腔效應對于提升激子利用率和發(fā)光量子產(chǎn)率方面的重要貢獻。這項工作不僅為橙紅光TADF材料設計提供了一條可行的思路，而且強調了通過合理的分子設計和器件結構優(yōu)化充分挖掘材料性能的觀點。這對于設計和篩選高效TADF材料有著重要意義，尤其在分子設計要求嚴苛的深藍-紫外以及近紅外區(qū)域（其分子設計上很難同時兼顧發(fā)光材料各方面性能）。