武汉大学新研究：橙红光OLED效率达到29.2%

最近，热活化延迟荧光（TADF）材料以其独特性能获得广泛关注，被认为是继传统荧光材料和重金属配合物磷光材料之后最具有发展潜力的第三代发光材料。在过去几年中，TADF材料的电致发光性能获得了长足进步。在天蓝光区域，其外量子效率（EQE）已接近37%；在绿光区域，其EQE也已超过30%。而作为全色发光不可或缺的成分，橙红光TADF材料的发展则明显滞后。截至目前，橙红光TADF材料的相关报道远少于蓝光和绿光TADF材料，并且基于橙红光TADF材料的 OLED 的最高EQE仍停留在17.5%。为了填补这一空白，目前亟待开发更高效的新型橙红光TADF材料。

【成果简介】

近日，武汉大学杨楚罗、龚少龙团队和台湾大学吴忠帜(吳忠幟)（共同通讯）团队合作，在橙红光TADF材料研究方面取得了重大进展。该工作基于电子给体-受体（D-A）分子结构，通过结合1,8-萘二酰亚胺（NAI）电子给体单元和不同的芳胺类电子受体单元，9,9二甲基吖啶（DMAC）和9,9-二苯基吖啶（DPAC）, 构建了两个目标分子NAI-DMAC和NAI-DPAC。两个化合物均获得了橙红光发射，并且具有高的光致发光量子产率（60%和79%），优异的TADF性能（超过85%的延迟比率）和良好的水平跃迁偶极矩取向性（71%和74%）。基于这两种橙红光TADF材料的OLED获得了目前最高的橙红光TADF器件效率在581-600 nm发射峰值范围内，其EQE保持在21-29.2%的高水准。值得强调的是，这是目前首例报道的基于橙红光TADF材料的EQE超过20%的OLED，并且29.2%的EQE远超此前已报道的17.5%的纪录，成为目前橙红光TADF器件的最高效率。研究人员对高效率器件的内在机制进行了探索，发现了光学微腔效应对于提升激子利用率和发光量子产率方面的重要贡献。该成果以题为“Achieving Nearly 30% External Quantum Efficiency for Orange–Red Organic Light Emitting Diodes by Employing Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters Composed of 1,8-Naphthalimide-Acridine Hybrids”，发表在Advanced Materials上。

【图文解读】

图一NAI-DMAC和NAI-DPAC的分子结构能级结构研究

a)TADF材料的分子结构式；

b)密度泛函理论计算得出的分子前线轨道能级和激发态能级；

c)优化基态结构的前线轨道分布（蓝色为HOMO,红色为LUMO）；

d)单晶结构；

图二NAI-DMAC和NAI-DPAC的光致发光性能研究。

a)NAI-DMAC和NAI-DPAC在甲苯溶液中的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱；

b)NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN掺杂薄膜中的荧光和磷光光谱；

c)NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN掺杂薄膜中的瞬态荧光衰减曲线。

图三NAI-DMAC和NAI-DPAC的跃迁偶极矩取向性能研究

a)NAI-DMAC和c)NAI-DPAC在mCPCN掺杂薄膜中的p偏振光致发光强度相对于发射角度的分布（实心方块），拟和曲线（实线）与理论曲线（虚线，各向同性及完全水平取向）；

b)NAI-DMAC 和d)NAI-DPAC基于含时密度泛函理论计算的跃迁偶极矩取向和大小。

图四基于NAI-DMAC和NAI-DPAC材料的OLEDs器件性能表征

a)器件结构，相关材料的能级结构以及分子结构图；

b-d)基于NAI-DMAC和NAI-DPAC的OLED器件电致发光光谱，电流密度-电压-发光亮度曲线，EQE和功率效率相对于发光亮度曲线；

e)单层发光层薄膜和完整器件的瞬态光致发光衰减曲线。

图五EQE性能对比

EQE与EL峰值与此前已报道工作的对比。

【小结】

该工作通过合理的分子设计，构建了两个橙红光有机发光分子。这些材料在确保优良TADF性能的，兼顾了高的光致发光量子产率和良好的水平跃迁偶极矩取向性，最终获得了橙红光OLED破纪录的29.2%的EQE，大大超越所有先前报道的橙红光TADF 器件性能。研究还发现了光学微腔效应对于提升激子利用率和发光量子产率方面的重要贡献。这项工作不仅为橙红光TADF材料设计提供了一条可行的思路，而且强调了通过合理的分子设计和器件结构优化充分挖掘材料性能的观点。这对于设计和筛选高效TADF材料有着重要意义，尤其在分子设计要求严苛的深蓝-紫外以及近红外区域（其分子设计上很难兼顾发光材料各方面性能）。