面向超高清显示(UHD)技术的核心需求,红、绿、蓝窄谱带发光材料的研发逐渐成为有机发光二极管(OLED)领域的研究热点。传统荧光材料由于局部激发态(1LE)的展宽效应,其半峰宽(FWHM)通常大于40 nm;而磷光材料则因配体-配体三重态电荷转移态(3LLCT)或配体-金属中心三重态电荷转移态(3MLCT)的电荷转移机制导致光谱展宽,难以满足UHD技术对高色纯度的严苛要求。基于硼/氮掺杂多环芳烃(B/N-PAHs)的多重共振热活化延迟荧光材料(MR-TADF),通过MR效应和刚性分子结构显著降低了材料的FWHM,展现出作为未来OLED材料的潜力。然而,其刚性平面结构显著提高了单重态-三重态能隙(ΔEST),从而大幅衰减了反向系间窜越(RISC)速率,限制了器件效率的进一步提升。

近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员葛子义、副研究员李伟,联合华南理工大学教授苏仕健提出一种分子设计策略,将刚性 9,9'-螺双[芴](SF)单元全部或部分整合到B/N-分子内电荷转移(MR)发光核心中,成功开发了含螺芴的MR-TADF材料体系SF-BN1、SF-BN2、SF-BN3 和 SF-BN4。该材料体系具有高色纯度和高效率的特性。

对于完全嵌入 B/N-MR 核心的发光体SF-BN1和SF-BN2,SF中的sp3杂化碳原子将每个分子分成对称的部分,形成两个独立且刚性的B/N-MR 发光中心。这阻碍了共轭结构,降低了共轭长度,发射出深蓝光,并通过多通道辐射衰减过程和能量转移机制显著提高了材料效率。对于部分嵌入B/N-MR 核心的发光体SF-BN3 和 SF-BN4,芴嵌入的 B/N-MR 核心可以连接B/N2[4]螺旋烯亚单元,形成刚性分子框架。

值得注意的是,SF-BN1、SF-BN2、SF-BN3 和 SF-BN4 在稀释的甲苯溶液中实现了最小的半峰全宽(FWHM)值,分别为17 nm、21 nm、17 nm和15 nm。同时,该材料体系在掺杂薄膜中高光致发光量子产率高达90%,这表明它们具有出色的电致发光(EL)潜力。基于 SF-BN1、SF-BN2、SF-BN3和SF-BN4 的相应超荧光有机发光二极管(HF-OLED)峰值外量子效率(EQE)分别达到了29.0%、22.2%、35.5%和33.6%,对应的 CIE 坐标分别为(0.13,0.08)、(0.11,0.15)、(0.13,0.23)和(0.12,0.35),FWHM 值分别为 23 nm、32 nm、26 nm和 40 nm。

相关研究成果以Spiro Units Embedded in the B/N Center for Constructing Highly Efficient Multiple Resonance TADF Emitter为题,发表在《德国应用化学》上。研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省“领雁”研发计划项目以及宁波市重点科技项目等的支持。