研究背景
隨著超高清顯示技術的迅速發展，對高效且超純發光的深藍色發射材料的需求日益增長。在這一背景下，深藍色有機發光二極管（OLED）中的發射體備受關注。深藍色發射材料的開發對OLED的整體性能至關重要，特別是在實現高色彩飽和度和色純度方面。深藍色發光體的一個重要概念是熱激活延遲熒光（TADF），其通過實現100%的內部量子效率而備受期待。然而，目前的藍色磷光材料和TADF發射材料面臨著色純度不足的問題，主要原因是分子結構的松弛和第一單重態（S1）與基態（S0）之間的振動耦合。這導致了寬的半峰全寬（FWHM）和光譜拖尾，嚴重影響了器件的光效和穩定性。為了解決這些問題，深圳大學楊楚羅教授等人在“Nature Photonics”期刊上發表了題為“Deep-blue organic light-emitting diodes for ultrahigh-definition displays”的最新論文。科學家們提出了一種基于多重共振（MR）結構的TADF材料設計策略，通過工程化的多環芳烴結構，特別是引入鄰位連接的氮/硼原子，成功實現了具有窄FWHM和高色純度的藍色發光體。本研究的主要目標是通過創新的分子設計，開發出能夠滿足BT.2020藍色標準的深藍色MR-TADF發射體。為此，研究者們設計了一種高度扭曲的雙硼基MR-TADF核心結構，并將其嵌入到線性擴展的π-骨架中，以同時實現高自旋軌道耦合（SOC）和小的激發態能量差（ΔEST），從而加速三重態的逆系間竄躍（RISC）過程。本研究成功解決了傳統深藍色發射體中存在的色純度不足和效率下降問題。通過合理的元素選擇與結構設計，研究者們開發出了一種具有超窄發射帶（FWHM 12 nm）和快速激子動力學的發射材料。該材料不僅在溶液狀態下實現了超高的光致發光量子產率（ФPL），而且在OLED器件中也展示了出色的外量子效率（EQE），滿足了BT.2020的藍色標準，并在實際應用中表現出優異的性能。此研究為實現超高清顯示技術中的高效深藍色OLED器件提供了一條新的技術路徑。
科學亮點
1. 實驗首次通過構建扭曲的多硼基框架與完全共振的結構，開發出高性能的深藍色MR-TADF發射體。這種發射體在深藍區域內表現出超窄發射帶（FWHM 12 nm）和接近100%的量子產率（ФPL），這是通過擴展的核心結構、高結構剛性、非鍵合特性以及合理的元素組合實現的。2. 實驗通過優化分子設計，顯著加速了三重態上轉換過程。具體而言，通過引入扭曲結構，實現了較大的自旋軌道耦合（SOC）矩陣元，同時通過線性擴展的MR-TADF骨架設計，實現了小的激發態能量差（ΔEST），從而使得kRISC值達到了106 s–1量級。這一設計還達到了優先的水平發光偶極取向（達到97%），顯著提高了光的輸出耦合效率。 3. 在OLED器件中應用這種優化后的發射體，成功滿足了BT.2020藍色標準并取得了領先的性能。具體表現為EQEmax/1,000分別達到了39.2%/28.7%，且FWHM僅為14 nm。通過進一步整合TADF敏化劑，器件性能進一步提升，EQEmax/1,000分別達到了44.6%/38.8%，并保持了窄的發射譜。此外，采用串聯器件架構，在深藍區域內實現了EQEmax/1,000分別為74.5%/65.3%的最先進效率。
圖文解讀
圖2：DPA-B2 、 DPA-B3 、 DPA-B4和Cz-B4的光物理性質。
圖3：基于DPA-B2 、 DPA-B3 、 DPA-B4和Cz-B4的非敏化OLED的EL性能。圖4: 基于 DPA-B4 的 HF 器件和兩單元串聯 HF 器件的 EL 性能。
總結展望
本文的研究成果通過設計扭曲的多硼基框架并將其集成到線性擴展的π骨架中，研究展示了實現極窄發射帶（FWHM為12 nm）和高量子產率（ФPL）的有效途徑。這一創新結構顯著提高了光譜純度和發光效率，為深藍色OLED的性能提升提供了新的思路。其次，優化三重態上轉換過程（RISC）是提高發光效率的關鍵。實驗表明，通過調節自旋軌道耦合（SOC）和減少激發態能量差（ΔEST），可以實現高效的三重態上轉換，達到106 s–1的快速上轉換速度。這一發現揭示了調控分子結構以增強SOC和減小ΔEST的重要性，為設計高效的MR-TADF發射體提供了理論依據。最后，本文展示了將TADF敏化劑和串聯器件架構相結合的策略，顯著提升了OLED的外量子效率（EQEmax）至74.5%。這些成果表明，優化材料設計與器件結構的聯合應用，可以突破傳統發光體的性能極限，為深藍色OLED及其在超高清顯示中的應用開辟了新的前景。Hua, T., Cao, X., Miao, J. et al. Deep-blue organic light-emitting diodes for ultrahigh-definition displays. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01508-w
