面向超高清顯示(UHD)技術的核心需求，紅、綠、藍窄譜帶發光材料的研發已成逐漸成為OLED領域的研究熱點。傳統熒光材料由于局部激發態(1LE)的展寬效應，其半峰寬(FWHM)通常大于40 nm；而磷光材料則因配體-配體三重態電荷轉移態(3LLCT)或配體-金屬中心三重態電荷轉移態(3MLCT)的電荷轉移機制導致光譜展寬，難以滿足UHD技術對高色純度的嚴苛要求。基于硼/氮摻雜多環芳烴(B/N-PAHs)的多重共振熱活化延遲熒光材料(MR-TADF)，通過MR效應和剛性分子結構顯著降低了材料的FWHM，展現出作為未來OLED材料的巨大潛力。然而，其剛性平面結構顯著提高了單重態-三重態能隙(ΔEST)，從而大幅衰減了反向系間竄越(RISC)速率，限制了器件效率的進一步提升。
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機光電材料與器件團隊葛子義研究員、李偉副研究員，聯合華南理工大學蘇仕健教授提出一種分子設計策略，將剛性 9,9'-螺雙[芴](SF)單元全部或部分整合到B/N-分子內電荷轉移(MR)發光核心中(圖1)，成功開發了含螺芴的MR-TADF材料體系SF-BN1、SF-BN2、SF-BN3 和 SF-BN4，它們具有高色純度和高效率的特性。對于完全嵌入 B/N-MR 核心的發光體SF-BN1和SF-BN2，SF中的sp3雜化碳原子將每個分子分成對稱的部分，形成兩個獨立且剛性的B/N-MR 發光中心。這阻礙了共軛結構，降低了共軛長度，發射出深藍光，并通過多通道輻射衰減過程和能量轉移機制顯著提高了材料效率。對于部分嵌入B/N-MR 核心的發光體SF-BN3 和 SF-BN4，芴嵌入的 B/N-MR 核心可以連接B/N2[4]螺旋烯亞單元，形成剛性分子框架。值得注意的是，SF-BN1、SF-BN2、SF-BN3 和 SF-BN4 在稀釋的甲苯溶液中實現了最小的半峰全寬(FWHM)值分別為17 nm、21 nm、17 nm和15 nm，并且在摻雜薄膜中高光致發光量子產率高達90%，這表明它們具有出色的電致發光(EL)潛力。基于 SF-BN1、SF-BN2、SF-BN3和SF-BN4 的相應超熒光有機發光二極管(HF-OLED)峰值外量子效率(EQE)分別達到了29.0%、22.2%、35.5%和33.6%，對應的 CIE 坐標分別為(0.13，0.08)、(0.11，0.15)、(0.13，0.23)和(0.12，0.35)，FWHM 值分別為 23 nm、32 nm、26 nm和 40 nm。
該工作以“Spiro Units Embedded in the B/N Center for Constructing Highly Efficient Multiple Resonance TADF Emitter”為題發表在國際頂級期刊Angewandte Chemie International Edition上，寧波材料所博士后吳林、大連理工大學課題生劉春雨、華南理工大學博士研究生劉鄧輝以及濟南大學博士研究生李德利為本文共同第一作者，寧波材料所李偉副研究員、葛子義研究員和華南理工大學蘇仕健教授為本文的通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金(22375212、U21A20331、51773212、81903743和52003088)、浙江省“領雁”研發計劃項目(2024C01261)以及寧波市重點科技項目(2022Z124、2022Z119、2022Z120)等的支持。
圖1 高性能窄譜帶有機螺環基OLED材料結構及其關鍵的性能參數
