黑龙江大学JPCC | 基于位阻工程实现高掺杂浓度下的高效红色TADF-OLED

英文原题：Efficient Red TADF Emitter and Diode in High Doping Concentration via Steric Hindrance Engineering with Phosphine Oxide

通讯作者：许辉、韩春苗（黑龙江大学）

作者：Peng Chang, Huiqin Wang, Bingjie Zhao, Yi Man, Quan Qi, Chunmiao Han*, and Hui Xu*

有机发光二极管（OLED）凭借其主动发光、宽色域、高对比度、轻薄及柔性等卓越性能，已成功融入市场并成为智能手机等电子设备的关键组件。在OLED发光材料领域，基于纯有机体系的热活化延迟荧光（TADF）材料，因其通过反向系间窜跃（RISC）能实现理论上100%的内量子效率而备受瞩目。目前，科研人员已开发出覆盖深蓝光至红光和近红外光谱的TADF材料和OLED，展现了出色的性能。然而，为了规避长寿命三重态激子导致的严重浓度猝灭问题，TADF发射体在主体材料中的掺杂浓度通常被严格限制在较低的范围内（小于20 wt%）。这种浓度限制不仅限制了OLED的性能优化空间，而且即使是小幅的掺杂浓度变化，也可能导致电致发光性能的显著下降，这成为制约TADF材料在OLED中广泛应用的一大障碍。

为了突破这一限制，黑龙江大学许辉教授（点击查看介绍）领导的膦基光电功能材料团队提出了一种新的位阻工程策略。他们通过在传统的给体-受体结构中引入空间位阻基团-二苯基膦氧（DPPO），构建了适用于高浓度掺杂OLED的高效红光TADF分子，pTPAPO-DPPZ。

图1. pTPAPO-DPPZ的分子结构式（a），单晶结构（b）和堆积图（c）

单晶X射线衍射研究表明，DPPO基团的空间位阻有效地增加了相邻分子之间的距离，在给体和受体之间形成了弱的π-π相互作用。这种相互作用不仅促进了分子间的电荷转移，还提供了更多的载流子传输通道。此外，相邻分子的TPA给体和DPPZ受体基团间存在C-H••O氢键，有助于二聚体的形成，并有效抑制了浓度猝灭。

图2. pTPAPO-DPPZ的光物理性质。（a）在甲苯（10^-5 mol L^-1）和纯膜中的吸收和光致发光光谱；（b）掺杂膜（掺杂浓度x=40，50，60，70）的PL光谱；（c）掺杂膜和纯膜的瞬态PL衰减曲线；（d）掺杂膜和纯膜的关键TADF跃迁的速率常数（k）和效率（ϕ）. 下角标PF、DF、ISC、RISC、r和nr分别指瞬时荧光、延迟荧光、系间窜跃、反向系间窜跃以及辐射和非辐射；上角标S和T分别指单重态和三重态

在深入探究pTPAPO-DPPZ的发光性质时，研究团队发现其在不同浓度掺杂膜中的光物理性质呈现出显著的浓度依赖变化。特别是，当掺杂浓度在40%至60%的范围内时，光致发光量子产率（PLQY）与掺杂浓度呈正相关，并在60%时达到85.1%的最大值。此外，延迟荧光的衰减也显示出与掺杂浓度的相关性，进一步证实了分子间电荷转移为RISC提供了额外的通道。在掺杂浓度为60%时，最高的k_DF、k_RISC、k_r^S、ϕ_ISC 和ϕ_RISC也进一步证明了分子间相互作用在TADF增强和猝灭抑制之间起到了关键的平衡作用。

图3. 基于TmPyPB:x% pTPAPO-DPPZ的TADF OLED的EL性能（x=40，50，60，70）. （a） 器件结构和能级图；（b） 亮度-电压-电流密度（J）关系；（c） EL光谱；（d） 效率-亮度关系；（e） 器件的瞬态EL发射光谱.

最终，pTPAPO-DPPZ在40%-70%的高掺杂浓度下均实现了深红光电致发光。其中，60%掺杂的器件表现出最佳的电致发光性能，最大电流效率达到9.08 cd A^-1，功率效率为6.63 lm W^-1，外量子效率（EQE）为14.1%。这些结果充分证明了位阻基团在增强分子间电荷转移和减轻浓度猝灭方面的显著作用，为高效高浓度掺杂OLED的研发提供了一种简单而有效的策略。

这一成果近期发表在The Journal of Physical Chemistry C 上，黑龙江大学化学化工与材料学院博士研究生常鹏、王慧琴和硕士研究生赵炳捷为论文的共同第一作者，黑龙江大学许辉教授、韩春苗教授为共同通讯作者。

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Efficient Red TADF Emitter and Diode in High Doping Concentration via Steric Hindrance Engineering with Phosphine Oxide

Peng Chang, Huiqin Wang, Bingjie Zhao, Yi Man, Quan Qi, Chunmiao Han*, and Hui Xu*

J. Phys. Chem. C 2024, XXXX, XXX, XXX-XXX

Publication Date: June 25, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c02441 

导师介绍

许辉

https://www.x-mol.com/groups/phosphine 

（本稿件来自ACS Publications）