華南理工大學(xué)趙祖金教授《Nat. Commun.》：利用手性TADF敏化劑和非手性MR分子構(gòu)建超熒光圓偏振OLED
在現(xiàn)代顯示技術(shù)與光學(xué)通信領(lǐng)域，圓偏振光（CPL）因其獨特的光學(xué)特性展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，在3D顯示、信息加密，光電器件和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。相比于依賴偏振器和四分之一波片來獲取圓偏振光的傳統(tǒng)方法，直接利用手性發(fā)光材料產(chǎn)生圓偏振光被認(rèn)為是一種更簡單高效的方式。熱活化延遲熒光（TADF）材料能通過快速的反向系間竄躍（RISC）過程利用三線態(tài)激子，從而實現(xiàn)高效的電致發(fā)光，但開發(fā)兼具高發(fā)光效率和CPL特性的圓偏振熱激活延遲熒光（CP-TADF）材料仍是當(dāng)前研究的難點。此外，隨著顯示技術(shù)對超高分辨率的要求不斷提升，大多數(shù)光譜較寬的CPL材料無法滿足當(dāng)前的顯示需求，開發(fā)同時具有窄光譜和高效率的圓偏振有機發(fā)光二極管（CP-OLED）變得尤為重要。
近日，華南理工大學(xué)趙祖金教授團隊報道了構(gòu)建窄光譜和高效率CP-OLED的新方法。首先通過引入手性單元到扭曲的TADF骨架中，設(shè)計合成了兩對高效的CP-TADF分子(R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC（圖1），它們都具有高的熒光量子產(chǎn)率、良好的發(fā)光不對稱因子和高水平偶極取向。這些分子不僅可以作為發(fā)光客體制備高效的CP-OLED，更重要的是，它們還可以作為手性TADF敏化劑敏化非手性多重共振（MR）分子，構(gòu)建具有窄光譜和高效率的超熒光CP-OLED。此外，作者還提出并制備了疊層超熒光CP-OLED，疊層器件表現(xiàn)出51.3%的最大外量子效率，同樣具有窄發(fā)射特性的圓偏振電致發(fā)光（CP-EL）。超熒光CP-OLED中非手性MR發(fā)光客體產(chǎn)生CP-EL信號的潛在機制可能是圓偏振熒光共振能量轉(zhuǎn)移（CP-FRET）以及手性誘導(dǎo)自旋選擇性（CISS）效應(yīng)的協(xié)同作用。
圖1. (R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC的分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和前線軌道分布
由于(R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC具有優(yōu)異的CP-TADF性質(zhì)，首先將其用作發(fā)發(fā)光客體制備了摻雜CP-OLED（圖2）。這些器件表現(xiàn)出高達33.8%的最大外量子效率，并且具有良好的CP-EL信號。其中，高的水平偶極取向?qū)诫sCP-OLED的器件性能提升也起到了重要作用。
圖2.基于CP-TADF材料的摻雜CP-OLED的電致發(fā)光性能
圖3.基于手性TADF敏化劑和非手性MR發(fā)光客體的同相敏化超熒光CP-OLEDs的電致發(fā)光性能
盡管這些CP-TADF材料在摻雜CP-OLED中表現(xiàn)出優(yōu)異的器件效率，但CP-EL光譜較寬，為了提高CP-OLED的色純度，作者將這些CP-TADF材料作為敏化劑，非手性窄光譜的MR分子v-DABNA和BN2作為發(fā)光客體，制備了同相敏化的超熒光CP-OLED。同相敏化器件的最大外量子效率分別為28.5%和31.4%，半峰寬僅為20和42 nm，并且具有窄光譜發(fā)射的CP-EL信號（圖3）。
圖4.基于手性TADF敏化劑和非手性MR發(fā)光客體的層間敏化超熒光CP-OLED的電致發(fā)光性能
在同相敏化的超熒光CP-OLED中，手性敏化劑和非手性發(fā)光客體共摻雜到一個主體中，非手性發(fā)光客體的CP-EL信號可能會受到相鄰手性敏化劑的手性環(huán)境的影響。為了深入探究敏化器件中手性轉(zhuǎn)移的機制，作者將手性敏化劑和非手性發(fā)光客體分別摻雜到兩個獨立的功能層，構(gòu)建了層間敏化超熒光CP-OLED（圖4）。結(jié)果顯示，不同結(jié)構(gòu)配置的層間敏化器件都表現(xiàn)出窄光譜發(fā)射的CP-EL信號，這可能是由于電荷載流子在通過器件中的手性敏化層后發(fā)生自旋極化，其中一部分可以直接在含有非手性MR分子的發(fā)光層中復(fù)合，從而使非手性MR發(fā)光客體產(chǎn)生CP-EL信號。這些結(jié)果表明，CISS效應(yīng)和CP-FRET可能協(xié)同作用使得敏化器件中非手性MR材料產(chǎn)生CP-EL信號。
此外，作者還提出并制備了疊層超熒光CP-OLED，疊層器件表現(xiàn)出51.3%的最大外量子效率，并且CP-EL信號也略微增強，與非疊層CP-OLED相比，展現(xiàn)了更高的電致發(fā)光效率和更強的CP-EL信號（圖5）。在疊層超熒光CP-OLED中，兩個含有非手性MR分子的發(fā)光層可能會產(chǎn)生具有相同光學(xué)活性的CP-EL并形成光波的相長干涉，從而使得圓偏振電致發(fā)光性能增強，這表明疊層器件結(jié)構(gòu)可能是提升圓偏振電致發(fā)光性能的一個有效途徑。
圖5.基于手性TADF敏化劑和非手性MR發(fā)光客體的疊層超熒光CP-OLED的電致發(fā)光性能
綜上所述，這項工作不僅開發(fā)了高效的CP-TADF材料，還提供了一種利用CP-TADF敏化劑和非手性MR發(fā)光客體構(gòu)建超熒光CP-OLED的簡便方法，并闡明了使非手性MR分子產(chǎn)生CP-EL信號的潛在敏化機制，提出的疊層超熒光CP-OLED也展示了更優(yōu)異的器件性能，為CP-OLED的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的思路。研究內(nèi)容以“Hyperfluorescence circularly polarized OLEDs consisting of chiral TADF sensitizers and achiral multi-resonance emitters”為題發(fā)表在Nature Communications上。該工作的通訊作者為華南理工大學(xué)趙祖金教授，第一作者是華南理工大學(xué)博士研究生陳樂田和碩士研究生鄒鵬。該工作受到國家自然科學(xué)基金（U23A20594和22375066）和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2023B1515040003）的支持。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56923-6
