基于Au(I)的多重共振热激活延迟荧光材料实现高效率、高稳定性的纯绿光有机发光二极管

多重共振热激活延迟荧光（MR-TADF）材料通常为硼和氮、氧掺杂多环芳烃的刚性平面结构，具有半峰宽（FWHM）窄、发光效率高等特点，逐渐成为有机发光二极管（OLED）中重要的发光材料。然而，大部分MR-TADF材料由于存在较大的单重态-三重态能隙（ΔE_ST），其延迟荧光的效率受制于较低的反向系间窜越（RISC）速率，致使三重态激子及延迟荧光寿命变长，进而导致OLED器件效率滚降大、使用寿命短。已有报道表明扩展共轭骨架可显著减小ΔE_ST，降低延迟荧光寿命，但需面对合成复杂、发光颜色调制困难等挑战。此外，有报道表明，通过引入硫、硒等非金属重原子替代氮、氧原子，可增大自旋-轨道耦合（SOC）强度，加快ISC/RISC过程，然而已报道的分子仍具有较长的延迟荧光寿命（14-30微秒），不利于器件的稳定性。

近日，香港大学支志明教授（点击查看介绍）团队基于前期对Au(I)配合物的研究积累，首次提出了Au(I) MR-TADF配合物。Au(I)的d¹⁰电子构型使其配合物免于配体场激发态的发光淬灭，同时其极大的SOC常数（5100 cm^-1）可实现配合物的高效TADF。基于已报道的母体分子BN(DtBuCzB)，通过引入光学透明（>350 nm）且有明显位阻效应的氮杂卡宾（NHC）配体设计并合成了一系列高空气热稳定性的Au(I) MR-TADF配合物；此外，还设计得到了蓝光MR-TADF材料BNO及其Au(I)配合物(BzIPr)AuBNO用于拓展研究。

图1. 已报道的部分MR-TADF材料及本文中的Au(I) MR-TADF配合物

研究结果显示，Au(I) MR-TADF配合物保持了其母体材料优异的发光性质，包括窄半峰宽（FWHM < 37 nm），高发光效率（PLQY = 0.78 – 0.93），更重要的是显著降低了延迟荧光寿命（BN：114微秒；AuBN：5.5 – 7.9微秒），使得TADF速率达到1.7×10⁵ s^-1。光物理实验测得这类配合物的ΔE_ST略小于其母体分子，同时超快光谱测试及理论计算表明，重原子金的引入极大增加了SOC强度，最终获得了高达3.1×10⁹ s^-1的ISC速率和5.0×10⁶ s^-1的RISC速率，较母体分子的ISC和RISC速率增加了两个数量级。

图2. (a) BN和(BzIPr)AuBN的紫外-可见吸收光谱及发射光谱；(b) BNO和(BzIPr)AuBNO的紫外-可见吸收光谱及发射光谱。内部照片分别展示了(BzIPr)AuBN和(BzIPr)AuBNO在四氢呋喃溶液中的光致发光。

图3. (BzIPr)AuBN在乙腈溶液中的(a)早期和(b)晚期飞秒瞬态吸收光谱的时间演化及其(c)飞秒时间分辨荧光光谱。BN在乙腈溶液中的(c)早期和(d)晚期飞秒瞬态吸收光谱的时间演化。(f) (BzIPr)AuBN在乙腈溶液中的瞬时荧光强度衰减时间曲线。图中箭头表示光谱演化的方向。

基于Au(I) MR-TADF材料的OLED器件表现出优异的电致发光性能，所有 (NHC)AuBN器件均展现半峰宽窄（FWHM = 34 - 41 nm）的超纯绿光发射，其CIE坐标为（0.20, 0.70），非常接近美国国家电视系统委员会（NTSC）的标准绿光CIE坐标（0.21, 0.71）。器件最大亮度达到253000 cd m^-2，最大外量子效率（EQE）为30.3%；绝大部分器件具有极低的效率滚降，在1000 cd m^-2亮度时效率滚降可低至0.8%，同时部分器件可在10000 cd m^-2的高亮度下保持>20%的EQE；1000 cd m^-2初始亮度下的器件使用寿命（LT60）长达1210小时，表现出较高的器件稳定性。

图4. 基于BN及一系列AuBN的OLED器件的(a)归一化电致发光光谱，(b)外量子效率-发光亮度曲线，(c)外量子效率-电流密度曲线。

综上，本工作提出了一种易于实现的MR-TADF材料金属配位策略，能有效增强单线态和三线态间的SOC，大大提升RISC的速率，并构建了高效稳定的绿光MR-TADF OLED器件。此金属配位策略有望作为一种适用于普遍TADF材料的增加三重态激子收获的通用手段，帮助推进TADF器件的实用化。

文章第一作者为香港大学-南方科技大学联合培养博士研究生蔡思源，合作老师为南方科技大学许宗祥教授，通讯作者为香港大学化学系支志明教授、程刚博士和林子龙博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Gold(I) Multi-Resonance Thermally Activated Delayed Fluorescent Emitters for Highly Efficient Ultrapure-Green Organic Light-Emitting Diodes

Siyuan Cai, Glenna So Ming Tong, Lili Du, Gary Kwok-Ming So, Faan-Fung Hung, Tsz-Lung Lam,* Gang Cheng,* Hui Xiao, Xiaoyong Chang, Zong-Xiang Xu, and Chi-Ming Che*

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213392

导师介绍

支志明

https://www.x-mol.com/university/faculty/69057