热活化延迟荧光(TADF)聚合物兼具100%激子利用率和溶液加工优势,但传统供体-受体型TADF聚合物发光半高全宽(FWHM)常达70–120 nm,难以满足超高清晰度显示对色纯度的要求;将多共振(MR)TADF发色团引入共轭骨架时,骨架π离域会干扰MR本征局域激发态,导致光谱展宽和红移,而非共轭骨架又常因载流子传输不平衡使外量子效率(EQE)长期低于20%。因此,如何在非共轭聚合物中同时保持MR发色团本征窄带发射并改善载流子传输,是该领域的关键挑战。
中山大学张艺教授课题组提出一种非共轭刚性化骨架与P=O传输功能集成的策略:将含B/N稠合MR发射单元的二胺DBNCzNH2和含膦氧(P=O)单元的二胺TPONH2与脂肪族二酐HBPDA共聚,制备半芳香族聚酰亚胺TPOBNX%(X=1、3、5和10)。刚性非共轭脂肪族酰亚胺环将MR发色团限制在短程电荷转移(SRCT)区域并抑制非辐射衰减,P=O单元促进电子传输且其σ键绝缘不扰动MR激发态。最优TPOBN5%在纯膜中单重态-三重态能隙(ΔEST)仅17.5 meV,在50 wt%掺杂膜中光致发光量子产率(PLQY)达87%,溶液加工OLED实现25.3% EQE和33 nm EL FWHM,为已报道非共轭MR-TADF聚合物OLED的最高效率。相关论文以“Solution-Processable Semi-Aromatic Polyimide MR-TADF Materials for High-Efficiency Narrowband OLEDs”为题,发表在Angew上。
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方法上,研究首先通过分子设计将B/N稠合MR发射单元和P=O官能团整合到HBPDA基聚酰亚胺主链中,构建非共轭聚合物体系(图1),并以DBNCzNH2、TPONH2与HBPDA的投料比调控MR单元含量,合成TPOBNX%系列(示意图1)。为验证该骨架不破坏MR发色团本征电子结构,研究对模型化合物DBNCzHDA进行DFT/TD-DFT计算:HOMO主要分布在氮原子及其邻位、对位碳上,LUMO主要定域于硼中心及相邻碳原子,呈现典型MR型空间互补分布,S₁和T₁空穴-电子分布主要局限于DBNCz核心(图2a);计算还揭示反向系间窜越(RISC)主要通过高位三线态T₂/T₃辅助上转换,而非直接T₁→S₁,且S₁与T₂/T₃的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元分别为0.136和0.245 cm⁻¹,远大于S₁→T₁的0.012 cm⁻¹(图2b)。这些结果说明非共轭PI骨架可保留MR核心的SRCT激发态特征,并为高效RISC提供通道。
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图1 本工作所开发MR-TADF聚酰亚胺的分子设计策略。通过将含B/N稠合多共振发射单元和含膦氧(P=O)官能团整合到基于HBPDA的聚酰亚胺主链中,构建了非共轭聚合物体系。
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示意图1 TPOBNX%聚酰亚胺的合成路线。
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图2 (a)DBNCzHDA的S₀→S₁和S₀→T₁垂直跃迁的前线分子轨道分布与自然跃迁轨道分析(等值面=0.02)。(b)DBNCzHDA的计算激发态能级排布及单重态-三重态自旋-轨道耦合矩阵元,突出上三重态介导的反向系间窜越路径。
光物理结果表明,TPOBNX%在二氯甲烷稀溶液中均呈现490 nm单一窄带发射,FWHM为27–30 nm,说明非共轭PI骨架有效保持了MR单元的本征窄带发射(图3a);在PhCzBCz主体中50 wt%掺杂时,TPOBN5%获得最高87% PLQY(图3b),其瞬态PL衰减呈双指数特征,并结合变温瞬态PL测试确认TADF性质(图3c);变温发射光谱峰位和形状基本不变,表明刚性PI骨架对BN发色团局部链段运动的限制,以及P=O单元位阻对MR发色团间π–π堆积的部分抑制,共同赋予发光态良好的温度稳定性(图3d)。
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图3 (a)TPOBNX%(X=1、3、5和10)在二氯甲烷(10⁻⁵ M)中的紫外-可见吸收(虚线)和光致发光(实线)光谱。(b)TPOBNX%(X=1、3、5和10)以50 wt%掺杂于PhCzBCz薄膜中时的绝对光致发光量子产率(空气中)。(c)TPOBNX%纯膜在300 K下的瞬态光致发光衰减曲线(插图:纳秒尺度瞬时荧光(PF)衰减)。(d)TPOBN5%纯膜在77、100、200和300 K下的温度分辨发射光谱。
器件方面,研究采用ITO/PEDOT:PSS/EML/PPF/TPBi/LiF/Al的溶液加工OLED结构,以PhCzBCz为主体、50 wt%掺杂制备发光层(图4a)。所有器件均呈现窄带EL,TPOBN5%器件EL峰位于498 nm、FWHM仅33 nm(图4b),并实现25.3% EQE_max、40.9 cd A⁻¹最大电流效率和39.3 lm W⁻¹最大功率效率(图4c);与已报道非共轭MR-TADF聚合物OLED相比,该EQE为最高值(图4d)。过高BN含量(TPOBN10%)则因聚集猝灭导致EQE降至9.5%、FWHM展宽至47 nm,说明TPOBN5%在发射单元密度与浓度猝灭之间取得最佳平衡。
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图4 (a)OLED器件的示意层状结构。(b)基于TPOBNX%器件的电致发光光谱和CIE坐标。(c)器件的效率-亮度关系。(d)由带MR-TADF侧基的非共轭聚合物制备的溶液加工OLED器件(无敏化剂)的EQE和FWHM汇总。
总结而言,该工作以非共轭半芳香族聚酰亚胺为骨架,共价整合B/N稠合MR发射单元与P=O传输单元,成功在溶液加工MR-TADF聚合物中同时实现高效率和窄带发射。TPOBN5%在50 wt%掺杂膜中87% PLQY、纯膜中17.5 meV ΔE_ST,以及器件25.3% EQE和33 nm EL FWHM表明,刚性非共轭PI骨架可作为兼顾效率与色纯度的通用平台,为下一代超高清晰度显示用溶液加工OLED提供了有前景的分子工程策略。
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