北京
用于超高清显示技术的有机发光二极管(UHD-OLED)对其发光材料的光谱宽度需求由较高要求，光谱窄化这一技术瓶颈的解决是满足广色域(BT.2020)行业显示标准的关键，并可以借此显著提升终端显示效果。窄带多重共振型热激活延迟荧光(MR-TADF)材料作为当前显示终端材料端口的高效解决方案，在过去十年间取得了显著进展。尽管现有大多数MR-TADF材料能够实现一定程度的窄带发射(半峰宽FWHM< 50 nm)，但能够实现FWHM小于20 nm的超窄带发射的材料仍属罕见，且这些材料几乎仅限于蓝光至绿光区域，难以覆盖长波长范围。此外，超窄带长波长发光材料领域缺乏高性能的分子设计框架，因此，如何同时实现光谱窄化与红移已成为学术界和工业界亟待突破的核心难题。
图1. 研究背景以及分子设计策略
现有研究主要通过两种策略调控分子光谱(图1a)，即延伸共振体系或引入强给/吸电子基团。但这些策略难以与光谱窄化高效协同：常规的共振延伸难以兼具大幅红移与分子轨道的精细化控制；并苯类的纯共轭延伸容易破坏MR效应，导致TADF性质丧失；引入强给/吸电子基团常导致分子刚性降低、振动弛豫增强，并诱发长程电荷转移(LRCT)特性，即便在刚性架构内，也无法避免体系内LRCT的出现。这些因素最终导致材料发射光谱不可避免地展宽，使得实现兼具长波长与超窄带发射的分子设计极具挑战性。
近日，化学化工学院郑佑轩课题组在长波长超窄带发光材料领域取得了重要突破。他们通过在四氮杂环烷框架中精准嵌入两个硼原子，创新性地构建了一种长波长超窄带分子框架，并由此衍生出一种超窄带黄光发射材料(HBN，图1b)。
图2. HBN分子的光物理性质
实验结果显示，与四氮杂环烷前体相比，双硼嵌入实现了高达165 nm的发射光谱红移(图2)。同时，HBN在甲苯稀溶液中表现出572 nm的超窄带黄光发射，光谱的FWHM只有17 nm，而在正己烷中发射光谱的FWHM进一步缩窄至12 nm，刷新了当前中长波长区域的窄光谱纪录。
图3. HBN分子理论计算
理论计算表明，HBN分子具有高度对称和平面的分子结构(图3a)，HOMO与LUMO轨道同样具备对称性(图3b)。其低结构重组能(0.17 eV)表明分子具有较低的结构弛豫特性(图3c)。此外，HBN的理论单三线态能级差(ΔEST = 0.23 eV)也与实验值(0.22 eV)高度吻合(图3d)。进一步的理论电子-空穴分析表明，电子-空穴中心间距(D指数)的增加会显著影响发射光谱的半峰宽，特别是在纯红光区域，这一现象揭示了LRCT性质对材料光谱的关键影响(图3e)。
图4. 基于HBN分子的OLED器件性能
基于HBN分子的非敏化器件D1实现了580 nm的窄带电致发光(FWHM：24 nm)及26.7%的最大外量子效率(EQEmax)，但存在效率滚降问题。通过优化OLED器件的结构，引入磷光敏化荧光（PSF）结构后，通过使用铱(III)配合物Bt₂Ir(acac)作为敏化剂并优化掺杂浓度，PSF器件D4表现出高效率(EQEmax：36.1%)、窄EL发射(FWHM：25 nm)及低效率滚降的特点，并在高亮度下保持优异性能，展示了其在高性能光电器件中的广泛应用潜力。
该研究成果表明，分子架构与材料性能的精细调控为超窄带纯绿光至红光材料的设计提供了重要指导，为实现广色域显示技术提供了实验和理论借鉴。
上述成果发表于Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202421102)，博士研究生胡家俊为论文第一作者，梁啸博士与晏志平博士为材料测试与理论计算做出了重要贡献，郑佑轩教授为通讯作者，左景林教授提供了重要指导。本研究得到了江苏省自然科学基金(BK20243010、BK20242021)及国家自然科学基金(92256304、U23A20593)的资助。
本文来自：南京大学。
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