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華南理工大學趙祖金教授課題組 Sci. Adv.: 純有機室溫磷光敏化劑制備高性能超熒光OLED

2025-03-24 來源：高分子科技

有機發光二極管（organic light-emitting diode, OLED）是一種具有自發光、輕薄、柔性、節能等優勢的新型顯示和照明技術。在基于多重共振延遲熒光（multi-resonance thermally activated delayed fluorescence, MR-TADF）材料的OLED器件中，引入磷光材料作為敏化劑，可以得到高效率、窄光譜、長壽命的超熒光OLED器件，在超高清顯示領域中有較好的應用前景。不同于含有銥、鉑等金屬的傳統磷光材料，純有機室溫磷光（room-temperature phosphorescence, RTP）材料成本低廉，對環境友好，更有利于大規模生產。然而，受限于現階段純有機RTP分子較低的系間竄越速率和磷光量子產率，基于純有機RTP發光客體或敏化劑的OLED器件性能仍未達到預期，這阻礙了RTP材料在OLED技術中進一步的應用。

圖1. 兩種純有機RTP材料的結構與性能對比

近日，華南理工大學趙祖金教授課題組開發了一種基于噻噸酮的高效RTP分子3,2-PIC-TXT（圖1）。3,2-PIC-TXT的吸收峰位于380 nm，對應其分子內的電荷轉移（CT）態吸收。在氮氣環境下，3,2-PIC-TXT的光致發光峰位于513 nm。若在3,2-PIC-TXT的甲苯溶液中通入氧氣，則其光譜會迅速減弱且藍移，這與已報道的RTP分子3,2-PIC-XT類似。進一步通過測試不同溫度下的發光壽命和室溫下的時間分辨光譜，確定了3,2-PIC-TXT室溫下磷光發射的特性（圖2）。由于硫的重原子效應，3,2-PIC-TXT的磷光輻射躍遷速率（k_phos= 6.8 × 10⁵ s^–1）、磷光成分占比（r_phos= 98.3%）相比3,2-PIC-XT（k_phos= 2.4 × 10⁵ s^–1，r_phos= 64.6%）都有了顯著提升。

圖2. 3,2-PIC-TXT的光物理性質

隨后，作者以3,2-PIC-TXT、3,2-PIC-XT為發光客體制備了摻雜OLED器件，并與傳統磷光材料Ir(ppy)₃進行對比（圖3）。基于3,2-PIC-TXT的摻雜OLED器件的電流效率（CE）、功率效率（PE）和外量子效率（EQE）峰值分別為92.2 cd A^–1、96.6 lm W^–1 和33.2%，效率滾降較小，性能優于3,2-PIC-XT（87.9 cd A^–1、96.8 lm W^–1和30.8%）及Ir(ppy)₃（90.8 cd A^–1、83.8 lm W^–1和25.2%）。

圖3. RTP磷光材料和金屬絡合物磷光材料的摻雜器件性能對比

進一步地，作者將3,2-PIC-TXT、3,2-PIC-XT和Ir(ppy)₃作為敏化劑，BN2、tCzphB-Fl和tCzphB-Ph這三種MR-TADF材料作為發光客體，制備了一系列磷光敏化MR-TADF超熒光OLED器件（圖4）。這些超熒光器件都表現出優異的效率和較窄的半峰寬。其中，以3,2-PIC-TXT為敏化劑的超熒光器件效率最優，其CE、PE和EQE分別達到150.9?179.9 cd A^–1、165.2?195.7 lm W^–1和40.9%?43.8%。作者還利用3,2-PIC-TXT敏化劑和tCzphB-Fl客體構筑了層間敏化器件，不僅簡化了制備工藝，還實現了優異的器件性能（165.4 cd A^–1、155.1 lm W^–1和40.2%）；層間敏化器件的效率滾降相比傳統同相敏化器件更小（1000 cd m^–2下的EQE仍保持在30.5%）。

圖4. 磷光敏化劑制備MR-TADF超熒光OLED器件的性能

最后，作者評估了基于RTP敏化劑的超熒光OLED的器件工作穩定性（圖5）。基于3,2-PIC-TXT敏化劑和tCzphB-Fl客體的超熒光器件，在10000 cd m^–2的起始亮度下，LT₈₀（亮度衰減至起始亮度80%的時間）為110.1小時，優于3,2-PIC-XT敏化劑（82.3小時）和不含敏化劑的器件（15小時）。綜上所述，RTP敏化劑的引入有利于提升MR-TADF器件的效率和穩定性，并且通過引入硫的重原子效應，器件的綜合性能還可以進一步得到提升。

圖5. RTP敏化MR-TADF超熒光器件的工作壽命、色坐標；文獻報道的綠光MR-TADF器件與本文報道的RTP敏化MR-TADF器件性能對比

以上研究論文以“Purely organic room-temperature phosphorescence sensitizers for highly efficient hyperfluorescence OLEDs”為題發表在Science Advances（2025, 11, eadt7899）上。論文第一作者是華南理工大學的曾嘉杰博士，通訊作者是華南理工大學趙祖金教授。該工作受到國家自然科學基金（22375066、U23A20594和21788102）和廣東省基礎與應用基礎研究基金（2023B1515040003）的資助支持。

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt7899

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（責任編輯：xu）

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