憑借在顯示應用中輕質柔性、自發光特性等優勢，有機發光二極管（OLED）在過去幾十年間快速發展，并成功實現智能手機和電視的商業化應用。當前，為滿足下一代先進顯示技術對超高清、高分辨率的需求，開發具有窄發射光譜和高亮度的高效穩定OLED器件至關重要。通過磷光（Ph）或熱活化延遲熒光（TADF）過程有效利用三線態激子，并最小化有機發光材料基態與激發態之間的結構差異，OLED顯示技術在高效率和窄發射方面已取得重大突破。然而，由于長壽命三線態激子易發生湮滅過程（如三線態-三線態湮滅（TTA）和三重態-極化子湮滅），OLED在高亮度下的效率穩定性（即效率滾降）以及器件工作穩定性仍面臨挑戰。這些負面效應在藍色OLED中尤為顯著，因此工業界的OLED藍光發射源仍依賴傳統熒光材料。為突破藍色OLED的發展瓶頸，亟需在分子與器件設計層面提出創新性解決方案。
近日，華南理工大學王志明研究員與香港科技大學林榮業教授、唐本忠院士合作，研究設計了一種兼具熱激子和聚集誘導發光（AIE）特性的藍色有機發光材料2TPA-CNNPI，并將其作為敏化劑構建了新型的三線態-三線態湮滅（TTA）輔助熱激子敏化熒光（HSF）器件，簡稱THSF。該THSF體系通過雙通道的階梯型F?rster和 Dexter能量轉移過程可以實現激子利用率提升、激子動力學加速以及三線態激子濃度控制的協同優化。這種對激子的精細控制使THSF器件綜合性能超越TTA熒光（TF）以及HSF對照器件，展現出更高的最大亮度與外量子效率（分別達到63590 cd m?2和11.0%），更低的效率滾降（1000 和10000 cd m?2下分別為10.7%和9.1%）以及延長的器件工作壽命（LT90@1000 cd m?2為27.1小時）。為了進一步提高效率并突出THSF體系的穩定性，制備了THSF疊層器件。該藍色OLED器件（EL: 468 nm, FWHM: 31 nm, CIEx,y: 0.13, 0.12）的最大外量子效率為18.3%，在10000 和50000 cd m?2下效率分別為17.6%和13.9%，相應的L90%（即效率衰減至峰值90%時維持的亮度）達到了創紀錄的20000 cd m?2，并且器件工作壽命（LT50@100 cd m?2）長達13256小時。這些結果充分證明了THSF策略在構建具有窄發射和高亮度特性的高效穩定藍色 OLED 的應用潛力。
THSF器件的特征在于：1）電子和空穴在熱激子敏化劑上復合，并且位于高能級的三線態激子可以通過反向系間竄越（RISC, Tn→S1，n≥2）過程捕獲利用；2）熱激子敏化劑的單線態（S1）和三線態（T1）能級分別處于TTA主體材料和窄發射摻雜劑相應的S1和T1能級之間，從而形成雙通道階梯型F?rster和 Dexter能量轉移過程；3）最終“浪費的”T1激子在TTA 主體材料中通過T-T上轉換過程回收利用。其中，賦予敏化劑AIE特性一方面可以抑制熒光濃度猝滅效應，促進從敏化劑到摻雜劑的F?rster能量轉移過程，另一方面可以抑制激子濃度湮滅效應，緩解敏化劑上因過多的激子積累而導致的效率嚴重滾降。相對于課題組已報道的單分子兼具TTA和熱激子特性的材料來講（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212876），提高了分子結構選擇性和器件綜合表現力。
THSF器件的優勢在于：1）熱激子和TTA的雙通道三線態激子捕獲提高激子利用率；2）快速的高能級RISC和高效F?rster過程加速激子動力學；3）高能級Tn轉換為S1從而減少T1激子產生；4）階梯型Dexter能量轉移過程分散T1激子的分布從而降低T1激子密度。因此，THSF策略對OLED器件中激子的流暢管理為實現具有窄發射和高亮度的高效穩定藍色 OLED提出了一種創新性解決方案。
圖1. THSF體系的激子過程示意圖和2TPA-CNNPI的材料設計與材料搭配。
圖2. 2TPA-CNNPI的分子模擬和熱激子機制研究。
圖3. 2TPA-CNNPI的光致發光和電致發光性能。
圖4. THSF體系的能量轉移分析。
圖5. THSF器件的電致發光性能與機制研究。
圖6. THSF疊層器件的電致發光性能。
該研究成果近日在線發表在Advance Materials上，題目為“Hot-Exciton-Involved Dual-Channel Stepwise Energy Transfer Enabling Efficient and Stable Blue OLEDs with Narrow Emission and High Luminance”。香港科技大學博士后張翰為論文的第一作者，華南理工大學博士研究生婁敬麗和曲阜師范大學博士張凱為共同第一作者，華南理工大學王志明研究員為論文的通訊作者，香港科技大學林榮業教授，香港中文大學（深圳）唐本忠院士為共同通訊作者。
該工作是團隊關于高效藍光/近紫外/紫外光電致發光材料的開發與研究的最新進展之一。近年來，王志明研究員課題組基于多芳基修飾的菲并咪唑結構，發展了“交叉長短軸”與“熱激子”機制相結合的分子設計理念和理論模型（J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 6359；Adv. Opt, Mater. 2020, 8, 1902195）, 并通過激發態性質和能級調控，使材料的發光效率和激子利用率綜合最優（Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 202002323；Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212876 ）；后續研究中，以氰基咔唑作為交叉長短軸骨架的熱激子材料所制備的紫外OLED實現了10.79%的外量子效率（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22241）；該體系通過對結構細節的調整，實現了深藍光高效率（Adv. Sci. 2024, 11, 2407254）和多功能主體材料（Small 2022, 18, 22040299）的應用。以上研究成果體現出“交叉長短軸”型熱激子材料在藍光OLED領域中的潛在價值。
原文鏈接 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419217
