憑借輕巧、靈活和自發(fā)光等優(yōu)點(diǎn)，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）被廣泛認(rèn)為是主流的第三代顯示技術(shù)。而有機(jī)電致發(fā)光材料是OLED的最關(guān)鍵組分之一。最近，能夠通過(guò)高能級(jí)通道迅速發(fā)生逆系統(tǒng)間躍遷（RISC）過(guò)程的“熱激子”材料在OLED界引起了密集關(guān)注。有趣的是，通過(guò)熱激子路徑可以獲得理論上的100%內(nèi)部量子效率（IQE）和低滾降速率。然而，紅色熱激子材料在聚集態(tài)和團(tuán)簇態(tài)下仍不可避免地遭受聚集引起的淬滅（ACQ），導(dǎo)致相對(duì)較低的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQYs），并且迄今為止缺乏明確的分子設(shè)計(jì)策略來(lái)提高PLQYs。另一方面，聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）是一個(gè)引人注目的光物理現(xiàn)象。然而，由于缺乏有效的三重激子利用策略，大多數(shù)基于AIE的OLEDs效率仍然較低。
近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員和李偉副研究員以及華南理工大學(xué)蘇仕健教授等提出了一種新穎的分子設(shè)計(jì)策略，成功地將熱激子機(jī)制和AIE特性融合到單個(gè)分子中。在新開(kāi)發(fā)的分子T-IPD和DT-IPD中（圖1），通過(guò)調(diào)節(jié)受體單元的共軛長(zhǎng)度，單重激發(fā)（S1）態(tài)的能量顯著提高至第二三重激發(fā)（T2）態(tài)，從而極大增強(qiáng)了高能態(tài)的逆系間竄越過(guò)程（hRISC）（圖2）。通過(guò)引入TPA和DP-TPA給體基團(tuán)，T-IPD和DT-IPD可以形成剛性和扭曲的三維幾何結(jié)構(gòu)，具有適當(dāng)?shù)亩娼?，有效抑制了分子間π-π堆積和分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使其在固體或聚集態(tài)下呈現(xiàn)強(qiáng)烈的發(fā)光。同時(shí)，它們的AIE特性可以通過(guò)在聚集態(tài)下形成J-聚集體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)。由于熱激子機(jī)制和AIE特性，研究人員獲得了最高12.2%的外量子效率，這是基于熱激子機(jī)制和AIE特性的深紅色OLEDs中性能最高的（圖3）。
為了進(jìn)一步闡明通過(guò)hRISC過(guò)程和三重-三重湮滅（TTA）部分在電致發(fā)光器件中的熱激子松弛過(guò)程，研究人員使用100微秒的電脈沖寬度對(duì)基于T-IPD和DP-IPD的非摻雜器件進(jìn)行了瞬態(tài)電致發(fā)光（TREL）測(cè)量。引人注目的是，TREL衰減呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的成分：快速EL衰減和延遲EL衰減。在電壓脈沖停止后，快速EL衰減源于幾納秒內(nèi)的單激子發(fā)射，而延遲EL衰減則是長(zhǎng)壽命三重子激子參與發(fā)射過(guò)程的結(jié)果。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在HLCT系統(tǒng)中，hRISC過(guò)程在幾納秒內(nèi)迅速發(fā)生，導(dǎo)致快速EL衰減而非延遲EL衰減。
此外，研究人員觀察到延遲EL衰減（Idelayed）很好地符合TTA模型，這是由于T-IPD和DP-IPD的低T1能級(jí)所致，遵循雙分子上轉(zhuǎn)換發(fā)射公式：
基于T-IPD和DP-IPD的非摻雜OLEDs的延遲衰減成分的比例僅為4.0%和5.6%，表明TTA上轉(zhuǎn)換受限，主要是由于低T1激子密度。這種延遲衰減成分的低比例不足以解釋其顯著的高效率，進(jìn)一步驗(yàn)證了T-IPD和DP-IPD的熱激子機(jī)制。
該結(jié)果以“Hot Exciton Mechanism and AIE Effect Boost the Performance of Deep-Red Emitters in Non-doped OLEDs”為題發(fā)表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202303304）。寧波材料所2020級(jí)合培生杜松雨、2023級(jí)碩士畢業(yè)生羅明和華南理工大學(xué)李德利博士為共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員、李偉副研究員，華南理工大學(xué)蘇仕健教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家杰出青年基金（21925506）、國(guó)家自然科學(xué)基金（U21A20331、51773212、81903743、52003088）、寧波市重點(diǎn)科技項(xiàng)目（2022Z124、2022Z119）等的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202303304。
圖1 新開(kāi)發(fā)材料開(kāi)發(fā)的分子T-IPD和DT-IPD的化學(xué)結(jié)構(gòu)及前線軌道和自然躍遷軌道分布示意圖
圖2 能級(jí)調(diào)控示意圖
圖3 高效的三重態(tài)激子利用器件
（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所）
