華南理工大學趙祖金教授課題組《Adv. Mater.》：小極性大位阻敏化材料實現高色純度高效率超熒光器件
超熒光（HF）器件是一種利用熱活化延遲熒光（TADF）材料來敏化具有窄發射光譜的純有機分子，例如多重共振（MR）-TADF分子，從而實現高效率和高色純度電致發光的技術。具有紅、綠光發射的MR-TADF分子由于其外圍往往修飾有較強的給電子或吸電子基團，在大極性的環境下容易發生長程電荷轉移（LRCT）態，導致發射光譜的半峰寬（FWHM）增大，色純度降低（圖1A）。而傳統TADF分子由于其特有的給體-受體（D-A）結構，分子極性往往較大，不利于提高超熒光器件的色純度。利用一些小極性的咔唑類主體材料能夠一定程度上改變這個劣勢，但是其較大的能量勢壘導致器件啟動電壓升高、功率效率降低，對器件穩定性的提升也是非常不利（圖1B）。
圖1. A) 環境極性對多共振熱活化延遲熒光(MR-TADF)分子BN2電荷轉移狀態的影響。B)傳統主體、激基復合物主體和新型的小極性和小勢磊主體的機制對比。
近日，華南理工大學趙祖金教授等設計了一種新型的低極性大位阻敏化材料（BTDMAC-XT）。該分子有一個D-A-D型的對稱結構，其外圍修飾大位阻的叔丁基，具有降低分子間的作用力和整體的極性、有效抑制發光猝滅的特性（圖2A）。BTDMAC-XT本身具有優異的電致發光性能，基于BTDMAC-XT制備的非摻雜器件能夠實現26.7%的外量子效率（EQE）。將BTDMAC-XT與小極性的咔唑主體相結合，所制備的高濃度（50 wt%）摻雜器件具有29.3%的EQE（圖2B），最大亮度（Lmax）超過200000 cd/m2。同時在1000 cd/m2的初始亮度下，器件的工作壽命相比于沒有叔丁基修飾的對照分子（BDMAC-XT）有大約三倍的提升（圖2C）。從理論數據和實驗結果可以看出，BTDMAC-XT具有成為超熒光器件敏化材料的潛力。
圖2. A) BDMAC-XT和BTDMAC-XT的分子結構式和BTDMAC-XT的HOMO、LUMO軌道分布。 B) BTDMAC-XT的非摻雜器件和摻雜器件的外量子效率（EQE）—亮度（L）—功率效率（PE）曲線。C)BTDMAC-XT和BDMAC-XT的壽命曲線。
為了驗證BTDMAC-XT的小極性的特性，該工作分別用BTDMAC-XT和BDAMC-XT作為目標MR-TADF分子BN2的敏化主體制備了超熒光器件HF1和S1。HF1的光色和效率都優于S1，并且BN2的發光色坐標也從最初報道的（0.38, 0.62）提升至（0.279, 0676），FWHM也從45 nm縮小至38 nm，印證了BTDMAC-XT作為敏化主體的優越性。為了進一步提升效率，該工作將BTDMAC-XT與咔唑類主體材料相結合，設計了50 wt% BTDMAC-XT: mCBP和50 wt% BTDMAC-XT: mCPBC敏化體系，制備了超熒光器件HF2（mCBP）和HF3（mCPBC）。這兩種敏化體系兼具高敏化效率和低環境極性的特點，同時由于BTDMAC-XT的濃度較高，能夠有效降低載流子的注入勢磊，HF2和HF3器件分別實現了高達146.3 lm/W和166.3lm/W的功率效率（PE）（圖3A），這是目前報導的綠色超熒光器件的最高PE（圖3B）。基于這類敏化體系制備的超熒光器件的穩定性也很優異，由5000 cd/m2亮度下的壽命可以預測出在100 cd/m2的初始亮度下的壽命長達40309 h，并且在測試前后器件中未發現壞點，證明了該體系在實際器件應用時的穩定性（圖3C）。
圖3. A) HF2、HF3的外量子效率（EQE）—亮度（L）—功率效率（PE）曲線。B)該工作報導的超熒光器件的功率效率與具有代表性的綠光器件對比，以及對應的CIEy值的關系。C)基于新型敏化主體的超熒光器件的壽命以及壽命測試后的器件照片。
該工作通過設計低極性大位阻敏化材料，制備了目前文獻報道最高性能的綠色超熒光器件，研究內容以“Energy-Efficient Stable Hyperfluorescence Organic Light-Emitting Diodes with Improved Color Purities and Ultrahigh Power Efficiencies Based on Low-Polar Sensitizing Systems”為題發表在Advanced Materials上。該工作的第一作者是華南理工大學博士研究生劉昊，通訊作者為華南理工大學趙祖金教授。該工作受到國家自然科學基金委基礎科學中心項目（21788102）等的支持。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202212237
