常州大学王亚飞等ACS Mater Lett | HLCT发光材料作为激基复合物受体实现高效率、超低滚降的溶液加工OLED- X-MOL资讯

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常州大学王亚飞等ACS Mater Lett | HLCT发光材料作为激基复合物受体实现高效率、超低滚降的溶液加工OLED

材料

作者：X-MOL 2024-10-16

英文原题：New Concept for HLCT Emitter: Acceptor Molecule in Exciplex System for Highly Efficient and Extremely Low-Efficiency Roll-Off Solution-Processed OLED

通讯作者：王亚飞（常州大学）；Jun Yeob Lee（成均馆大学）

作者：Yixiao Yin, Yinyan Wu, Binghong He, Zekun Xia, Weiguo Zhu, Jun Yeob Lee*, and Yafei Wang*

热激活延迟荧光 (TADF) 材料因其100% 理论内量子效率 (IQE) 和纯有机分子结构等优势被誉为第三代有机电致发光材料。与传统的单分子 TADF 材料相比，激基复合物体系 (exciplex) TADF材料具有内在的单三线态能隙差小、可通过供体分子和受体分子简单的物理混合等特点，因此受到科研人员的广泛关注。目前，构筑激基复合物体系的给、受体分子大多为荧光材料，其仅能利用25%的单线态激子；同时，激基复合物体系还存在非辐射跃迁速率大、发光效率低等问题。因此开发具有高发光效率的exciplex体系及其溶液加工OLED具有重要的研究意义。最近，该研究小组首次报道了基于杂化局域-电荷转移 (HLCT) 受体分子的激基复合物体系，其在溶液加工OLED 中表现出非常高的器件性能和较低的效率滚降 (Adv. Mater., 2024, 36, 2313656)。该结果表明高位的反系间窜跃过程 (hRISC) 在exciplex体系中起着积极作用，从而为 HLCT 材料的应用开辟了新的途径。因此系统研究exciplex中 HLCT 材料的结构-性能关系对开发新型高效的激基复合物TADF材料具有重要的指导意义。

为了进一步探讨激基复合物体系中受体分子的结构-性能关系，本论文报道了两种新型的 HLCT化合物 2-^tBuspoCz-2pTRZ 和 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ。与前期报道的 2-^tBuspoCz-Trz 相比，作者通过调节给体和受体片段之间的连接π桥来改变2-^tBuspoCz-2pTRZ 和 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ 的扭曲度，进而改变激基复合物体系中给受体分子的相互作用距离，从而实现exciplex体系的高性能发光。

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图1. a) 热激子材料的发光机理、应用和新策略; b) 高效热激子材料的分子修饰策略和分子结构

如图2a 所示，两个 HLCT 分子与 4,4'-环己基亚二 [N, N-双(对甲苯基)苯胺] (TAPC) 均可形成有效的exciplex发光。低温荧光-磷光光谱和时间分辨光谱表明这两种激基复合物体系具有明显的TADF性能；并且，激基复合物体系2-^tBuspoCz-2pTRZ:TAPC 和 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 具有较快的反向系间窜越速率 (k_RISC)，在300 K下分别为 3.00 × 10⁶ 和 3.06 × 10⁶ s^-1。与 2-^tBuspoCz-2pTRZ:TAPC 相比，2-^tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 表现出更小的非辐射衰减速率，因而呈现更高的 PLQY (100.0%)。

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图2. a) 激发波长为 370 nm 的薄膜中 2-^tBuspoCz-2pTRZ、2-^tBuspoCz-Me3pTRZ、TAPC 和激基复合物体系 (重量比 = 2:8) 的 PL 光谱; b) 激发波长为 370 nm 的薄膜中激基复合物体系的 LT Fl 和 Ph 光谱; c) 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 的延迟和温度依赖性瞬态 PL 衰减曲线; d) 在 77 K 至 300 K 的温度范围内，2-^tBuspoCz-2pTRZ:TAPC 和 2-^tBuspoCz-Me3pTrz:TAPC 的 k_RISC 和延迟分量比例与温度的相关曲线

为了评估激基复合物体系的电致发光 (EL) 性能，作者分别将激基复合物体系作为发光层材料和主体材料，制备了相应的溶液加工器件，器件结构与相关EL性能如图3所示。值得注意的是，基于 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 为主体材料的溶液加工器件实现了极低的驱动电压 (2.6-2.8 V) 和 22.7% 的最大外量子效率 (EQE_max)；并且，器件在 1,000 cd m^-2 时仍保持了较高的EQE值，其效率滚降速率约为0.5%。

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图3. 基于 exciplex 器件的 EL 性能。a) 最大亮度的EL 光谱 (插图) 和 EQE-亮度曲线 (比率为 2:8); b) 电流密度-电压-亮度曲线 (比率为 2:8); c) 两激基复合物体系和已报道的以激基复合物体系为发光层的溶液加工器件的三维图，及其三个坐标含义：波长 (λ)、反向系间窜跃的速率常数 (k_RISC) 和PLQY。基于 exciplex 为主体材料器件的 EL 性能。d) OLED 器件结构示意图; e-f) 最大亮度下的 EL 光谱; g-h) EQE-亮度曲线; i) 在 1,000 cd m^-2 时的效率滚降

总结/展望

本文通过修饰分子几何构型，制备了两类HLCT发光分子2-^tBuspoCz-2pTRZ 和 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ，并将其引入激基复合物体系中。化合物2-^tBuspoCz-2pTRZ或 2-^tBuspoCz-Me3pTRZ 和 TAPC 分子可形成有效的激基复合物体系。其中2-^tBuspoCz-Me3pTRZ:TPAC 获得了极小的 ∆E_ST 和100% 发光效率。通过溶液加工法制备了系列电致发光器件，其中以exciplex为发光层时，器件实现了 16.6% 的 EQE_max；当以exciplex为主体材料时，溶液加工器件实现了超过20%的EQE_max和极低的效率滚降 (约为0.5%)。这项研究为开发新型的exciplex体系，实现高效率激基复合物体系的溶液加工器件提供了新的策略。