实验室赵祖金教授团队：螺环稠合占吨酮受体构筑浓度不敏感型TADF材料及高性能OLED
有机发光二极管（organiclight-emitting diode, OLED）是一种自发光、轻薄、柔性、节能的新型显示和照明技术，在学术界和产业界都受到广泛关注。纯有机热活化延迟荧光（TADF）材料能实现100%激子利用率，在OLED发光材料和敏化剂方面具有相当大的应用前景。然而，大多数TADF材料需要以低浓度精确地掺杂到主体材料中，来抑制发光猝灭和激子湮灭过程，大幅增加了工艺难度。
近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的赵祖金教授课题组通过螺环稠合的分子设计策略，开发了一类具有高刚性、大位阻、载流子传输平衡和浓度不敏感的TADF材料，作为发光体和敏化剂都表现出优异的性能，充分显示了其在下一代超高清显示中的应用潜力。
将9,9'－螺二芴（SBF）和占吨酮（XT）以两种不同的方式稠合，构建全新的刚性大位阻螺环受体mSBFXT和pSBFXT。随后，将这些受体与螺环吖啶给体（SFAC和SXAC）相连，合成了四种新型TADF分子：mSBFXT-SFAC、mSBFXT-SXAC、pSBFXT-SFAC和pSBFXT-SXAC（图1）。
图1 分子结构与单晶结构
这些分子在纯膜下的荧光量子产率（PLQY）高达91%，掺杂膜PLQY甚至达到99%，并展现出典型的TADF特性，纯膜的反向系间窜越（RISC）速率高达1.37 × 106s‒1（图2）。
图2 四个分子的光物理性质
理论计算（图3）结果表明，这些分子的HOMO和LUMO轨道实现了有效的分离，减小了分子的单线态－三线态能级差，促进了RISC过程。另外，mSBFXT系列分子相比pSBFXT系列分子具有更小的均方根位移（RMSD），表现出更小的激发态结构弛豫，且分子内C–C键伸缩振动显著减弱，这使得mSBFXT与pSBFXT系列分子表现出差异较大的光物理性质，mSBFXT系列的PLQY显著高于pSBFXT系列。
图3 理论计算结果
利用这些分子构筑了多种类型的OLED器件（图4–6）。以mSBFXT-SFAC为例，其纯膜具有平衡的载流子传输特性和较高的水平偶极取向率（82.5%），在非掺杂器件中实现了30.6%的外量子效率（EQE），且效率滚降极小，在1000/5000 cd m–2亮度时仍能保持30.0%/28.0%的外量子效率，效率滚降仅为1.96%/8.50%。此外，mSBFXT-SFAC在掺杂器件中表现出优异的浓度不敏感性，在10~90wt%浓度范围内，器件的峰值EQE稳定在29.1%～36.8%，对器件掺杂工艺偏差的容忍度较高，有利于实际生产。mSBFXT-SFAC还能作为多重共振热活化延迟荧光（MR-TADF）器件中的敏化剂，实现高达41.0%的最大EQE，有效抑制效率滚降。
图4 非掺杂器件性能
图5 掺杂器件性能
图6 敏化器件性能
相关研究成果以“Creating Concentration-InsensitiveTADF Luminogens With Spiro-Fused Xanthone Acceptors for Highly Efficient OLEDs”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上，其中通讯作者为赵祖金教授和许乐天副研究员，第一作者为曾嘉杰博士、科研助理吴源源和博士研究生陈紫薇。该研究工作得到了国家自然科学基金（22375066、U23A20594、22355079、22405091）和广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040003）等科研项目的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.3521059
