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许辉教授团队研究成果在Cell子刊《Chem》上发表
2018-07-09 15:14 科学技术处  科学技术处 审核人:   (点击: )

近年来,作为第三代有机电致发光器件(Organic light-emitting devices, OLED)的基础,热激发延迟荧光(Thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料因其100%的激子利用率、低成本及环保等优点而备受关注。大多数的TADF发光体通过构建具有强分子内电荷转移相互作用的给受体结构以实现高效的反向系间窜越和TADF发射。因此,TADF发光材料一般为具有高激发态极性的有机推拉电子体系,表现出显著的分子间相互作用及其引发的激子猝灭效应。为了缓解这一效应的影响,大多数的TADF器件采用主客体掺杂的发光层结构以分散TADF发光体,进而抑制分子间相互作用导致的猝灭。然而,由于主客体均为有机分子,二者在结构和激发态特性上的高度相似性使得主客体相互作用成为影响器件性能的重要因素。

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图1蓝光TADF器件的最大外量子效率与主体激发态偶极矩之间的关系。下侧示意图给出了在高激发态偶极主体和低激发态偶极主体中主客体之间的相互作用和能量及电荷传递过程。

对TADF体系中主客体相互作用的本质和作用渠道仍然缺乏系统和清晰的认识。相对于其他颜色的TADF材料,蓝光TADF材料的激发态偶极矩较低(约为11 Debye),因此大部分蓝光TADF器件退而采用单极性主体材料,以最大限度抑制主客体相互作用所导致的激子猝灭。然而,这不仅使得发光层中载流子传输失衡,进而部分导致蓝光TADF器件更为显著的效率滚降等问题,而且大大限制了蓝光TADF主体材料的选择余地和优化空间。这也成为蓝光TADF体系设计中亟待解决的关键科学问题之一。

针对这一问题,黑龙江大学许辉教授领导的磷基光电功能材料课题组设计制备了一组11种由相同给受体基团构成的双极膦氧主体材料。通过改变功能基团的数量和拼接方式使这一组材料的激发态偶极矩从21 Debye逐步降低到仅为2 Debye。实验结果表明,通过主客体偶极-偶极相互作用,主体激发态偶极场能够明显恶化蓝光TADF发光体的激子猝灭现象。随着主体激发态偶极矩的增加,蓝光TADF器件的最大外量子效率线性降低,最大降幅达到75%。从本质上看,主客体间的共振能量传递过程必然伴随着主客体偶极-偶极相互作用,使得主体激发态偶极场效应并不受激子浓度的限制,因而对器件的最大效率和效率滚降均有显著影响。这也反映出此效应具有作用范围大等明显的场效应特征。

通过在给受体之间插入打断基团,研究团队成功将这一类双极主体分子的激发态偶极矩降低至2 Debye,仅比其基态偶极矩高约0.5 Debye,且明显低于常用蓝光TADF材料的激发态偶极矩(大于10 Debye),从而将双极特性和低激发态偶极矩这两个看似相互矛盾的性质成功整合在一起。其中一种主体材料DBTDPOFCz的蓝光TADF器件的最大外量子效率达到21.6%,是目前基于双极主体材料的蓝光TADF器件所实现的最好结果。特别是,在1000尼特的照明亮度下,DBTDPOFCz将其器件的效率滚降控制在创纪录的9%,充分体现了双极主体材料在平衡载流子和提高效率稳定性等方面的优势。

这一工作不仅为深入理解偶极场作用对光电器件性能的影响提供了一个普适性的思路,而且凸显了主体工程,尤其是主客体相互作用调控,对实现高效稳定TADF器件的重要性,从而必将进一步推动TADF技术真正走向实际应用。

这一研究成果发表在Cell子刊《Chem》上,第一作者为韩春苗教授,张珍硕士为共同一作,黑龙江大学为独立完成单位。这也是《Chem》首次发表以黑龙江省高校和科研院所为第一完成单位的研究成果。(科学技术处供稿)

Citethis:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.06.005

原文标题:Dipole-Dipole Interaction Management forEfficient Blue Thermally Activated DelayedFluorescence Diodes

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