科学家阐明多共振型发光材料ΔES1T1起源，推动OLED材料国产替代

当前显示技术发展的一个重要方向是超高清显示，高分辨率（即 4K/8K 分辨率）、广色域（即 BT.2020 色域）是两个最重要的技术指标。对于有机发光二极管（OLED，Organic Light-Emitting Diode）技术而言，其瓶颈问题在于发展兼具高效和高色纯度的三基色发光材料。

近十余年来，OLED 发展的一个重要突破是热激活延迟荧光（TADF，Thermally Activated Delayed Fluorescence）材料的应用，这类材料的一个主要特征是具有较小的单重态-三重态能隙（ΔES1T1），因而三重态可以通过反向系间窜越过程回到单重态，实现高效的激子利用。

然而在传统认知中，TADF 材料需要使得其前线分子轨道最高占据分子轨道（HOMO，Highest Occupied Molecular Orbital）/最低未占分子轨道（LUMO，Lowest Unoccupied Molecular Orbital）充分分离，以降低 HOMO-LUMO 的电子交换积分 2KHL，降低 ΔES1T1。然而，这也使得 TADF 材料普遍存在着结构弛豫严重、光谱展宽严重、色纯度差的问题。并且，2KHL 的降低也使得其荧光辐射跃迁速率显著下降。这些问题的存在使得 TADF 材料难以直接应用于高色纯度的显示应用中。

直到 2016 年，多共振型（MR，Multi-Resonance）发光材料打破了传统 TADF 设计的这一认知：这类材料具有杂原子掺杂的平面稠合骨架结构，在分子轨道空间重叠较强的情况下，仍能实现小 ΔES1T1、高辐射跃迁速率的窄谱带发光。尽管近些年 MR 发光材料得到了广泛的研究和发展，其底层设计机理仍然不够清晰（例如，这类材料为何能在具有明显 HOMO/LUMO 重叠的情况下实现小的 ΔES1T1），现有含时密度泛函理论难以准确预测此类材料的激发态性质，阻碍了这类材料的理性设计和发展。为了解决这一问题，苏州大学教授张晓宏课题组开展了一项研究。

通过本次研究，他们揭示了 MR 发光材料在分子轨道强空间重叠下，仍能实现小 ΔES1T1 的机制。

（来源：资料图）

传统基于单电子激发模型下的观念认为，ΔES1T1 的减小需要最小化 HOMO-LUMO 轨道空间重叠程度，以降低 HOMO-LUMO 交换积分（2KHL）。

而该团队发现，MR 型分子的激发态由于是多电子激发过程，除了 HOMO→LUMO 的激发过程，其 HOMO→LUMO+1 轨道的激发过程也对其激发态有重要贡献。而 HOMO→LUMO 与 HOMO→LUMO+1 过程的耦合会显著稳定 S1 态能量，从而显著减小 ΔES1T1。

基于这一能够更准确描述 MR 发光材料激发态性质的物理模型，他们进一步推导出了一个仅基于材料分子的简单基态参数 HOMO-LUMO 交换积分（2KHL）和 LUMO-LUMO+1 能级差（ΔELUMO–LUMO+1）就可以预测其 ΔES1T1 的模型公式，并通过已报道的实验案例验证其准确性和普适性。

他们还基于该模型成功发展了高效的 MR 发光材料 IV-DABNA，其实验测试 ΔES1T1 与其模型公式预测结果高度相符。最终表现出极为出色的器件性能，最大外量子效率接近 40%，效率滚降也极低，1000cdM⁻² 的亮度下效率仍达 38%。

总的来说，他们的工作从最基本的物理层面出发，阐明了 MR 发光材料“小 ΔES1T1”的起源，为面向超高清显示的 OLED 材料的设计和发展奠定了基础。

（来源：资料图）

审稿人对该研究评价称：“这是一项令人印象深刻且重要的工作，不仅深化了对有机半导体材料中 ΔES1T1 的理解，还证明了新提出的 ΔES1T1 表达式在高效多环杂芳烃发光材料的筛选和设计中表现优异。”

此外，Nature Materials 编辑团队也评价这一工作：“该研究深化了多共振热激活延迟荧光（MR-TADF）材料中单重态-三重态能隙（ΔES1T1）的理解，为设计高效、低滚降的 OLED 的设计提供了发现。”

（来源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02309-4）

OLED 技术本身是一项有巨大应用前景的平板显示技术。利用本工作提出的这一普适模型，学界和产业界有望发展性能更加优异的高性能 OLED 发光材料，并将其应用于超高清显示 OLED 技术中。

科研工作者大多深有体会：研究到了一定阶段，常会步入瓶颈期。大量重复、枯燥的实验与尝试，往往迟迟换不来令人满意的结果。例如，在本工作的第一轮审稿意见中，有一个审稿人虽然对该团队提出的理论表现出了浓厚的兴趣，但也对其普适性提出了质疑。他要求该团队设计合成更多全光谱发光范围内的 MR 材料，来验证所提出的物理模型的普适性。他们虽然在纸面上很快就设计了若干这样的候选材料。然而，它们的实验合成却出现了很大的问题——有的中间体难以溶解导致做不出终产物，有的硼化反应产率极低，导致难以提纯出来……每当这样的时刻，团队中难免弥漫着“或许这样也可以了”的放弃念头。

但是团队成员王凯对 DeepTech 表示：“我们始终相信历尽天华成此景，人间万事出艰辛。”正因为没有轻言放弃，在持续不断的摸索与尝试中，他们最终幸运地找到了答案——这看似偶然的突破，其实正是坚持与努力所带来的必然馈赠。

总的来说，这一工作显著加深了对 MR 材料设计的认识，为超高清 OLED 发光材料的开发奠定了基础。

下一步，一方面他们将基于本工作提出的这一普适模型，对 MR 材料进行更加深入的理性设计和调控。另一方面，他们还将对 MR 发光材料的其他共性问题进行更加深入的研究，例如其谱带窄化的原因和驱动力、其器件稳定性的决定性因素等，推动这类新型 OLED 发光材料从实验室走向产业应用，实现 OLED 材料的国产替代。

参考资料：

Walia, R., Xiong, X., Fan, XC. et al. Achieving small singlet–triplet energy gaps in polycyclic heteroaromatic emitters.Nat. Mater.(2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02309-4

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