利用螺碳锁定和硫嵌入策略构筑深红色高效有机电致发光器件

面对新一代宽色域显示技术的迫切需求，开发具备窄带发射红、绿、蓝三原色的发光材料尤为关键。基于硼/氮（B/N）骨架的多重共振热活化延迟荧光（MR-TADF）材料的出现，为发展兼具高效率和窄带发射特性的有机电致发光二极管（OLED）开辟了道路。然而，红光MR-TADF材料的设计策略相对匮乏，这在很大程度上限制了它们在全彩显示中的应用。

针对这一挑战，吉林大学王悦教授（点击查看介绍）、李成龙教授（点击查看介绍）和清华大学张跃威博士（点击查看介绍）等人提出了一种独特且简便的螺碳锁定和硫嵌入策略，旨在构建具有优异色纯度和高效率的红光MR-TADF材料。该策略基于前线分子轨道工程（FMOE）理念（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17442），通过在天蓝光母体分子DtCzB的中心苯环的两个最高占据分子轨道（HOMO）位点上，依次引入具有给电子特性的“螺碳”锁和“硫原子”锁，逐步增强了分子内电荷转移激发态强度和π共轭程度，有效地诱导了发射光谱的红移。目标分子FSBN在甲苯溶液中呈现纯红光发射，其最大发射波长达到621 nm，半峰宽为55 nm/0.18 eV，与原始母核DtCzB相比，实现了140 nm的显著红移。

图1. 分子设计策略以及DtCzB、FBN和FSBN的化学结构。

FSBN的合成简洁高效，直接使用硫单质作为硫来源，显著降低了生产成本，彰显了其在经济效益上的优势。与此同时，芴基团和硫原子的引入并没有导致分子量的大幅增加（FSBN的分子量：803.44），因此FSBN非常适合热蒸发和真空沉积的器件制造工艺。

从晶体分析可以看出，FSBN分子骨架的中心发光核呈现刚性的准平面结构，有效抑制了由振动引起的非辐射跃迁，从而实现了高达98%的光致发光量子产率。此外，与中心发光核近乎垂直的芴基团所产生的空间位阻，使得FSBN能够在广泛的掺杂浓度范围内维持稳定的发射光谱。

图2. a) FSBN单晶的分子几何构型和b)堆积模式。c) DtCzB、FBN和FSBN在甲苯（1 × 10⁻⁵ M, 298 K）中的荧光光谱。d) FSBN在甲苯（1 × 10⁻⁵ M, 298 K）中的紫外可见吸收光谱和荧光光谱（插图：365 nm紫外光下拍摄的照片）。e) FSBN在不同掺杂浓度下（mCBP为主体）的薄膜荧光光谱。

以FSBN作为发光体的电致发光器件，色坐标为（0.67, 0.33），与国家电视标准委员会（NTSC）定义的红光标准相一致。值得一提的是，得益于其高光致发光量子产率（98%）和高水平分子取向比（87%），FSBN的单主体器件在无需依赖贵金属敏化剂的情况下，实现了高达37.5%的最大外量子效率（EQE）和50.1 lm W⁻¹的功率效率（PE），充分展示了FSBN在开发低功耗红光OLED领域的巨大潜力。这项工作为兼具高效率、高色纯度红光MR-TADF的设计开发提供了新思路。

图3. 基于FSBN的单主体器件表现。

该工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，吉林大学博士研究生蒲烨宣为论文的第一作者，吉林大学王悦教授、李成龙教授和清华大学张跃威博士为文章的共同通讯作者。

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）：

Spiro-Carbon-Locking and Sulfur-Embedding Strategy for Constructing Deep-Red Organic Electroluminescent Emitter with High Efficiency

Yexuan Pu, Xinliang Cai, Yupei Qu, Weibo Cui, Linjie Li, Chenglong Li, Yuewei Zhang, Yue Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202420253

导师介绍

张跃威

https://www.x-mol.com/university/faculty/386172 

王悦

https://www.x-mol.com/university/faculty/11012 

李成龙

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