有机发光二极管（OLED）由于其低功耗、宽视角、可弯曲等优点，已经在显示应用中展现出了其卓越的优势。外量子效率（EQE）是评估OLED器件的关键参数。研究表明，OLED的EQE取决于两个主要因素：内量子效率（IQE）和光耦合输出效率（ηout）。因此，为了获得高EQE，通常采用能够同时利用单重态和三重态激子发光的电致发光材料，如热活化延迟荧光材料（TADF）和磷光材料，理论上可实现100%的IQE。此外，还可以采用外部光学元件的光提取技术提高器件的ηout，从而提高器件的EQE。然而，这些额外的元件不可避免地会复杂化器件结构并增加其成本。另一种提高ηout方法是改善分子的水平取向（Θ//）。值得注意的是，理论上，具有100%理想IQE和Θ//的材料，在无需任何额外的光学元件的条件下，可以将EQE提高到45%，但针对Θ//的相关研究仍相对较少。
图1：分子设计策略及分子结构
针对上述问题，深圳大学杨楚罗团队报道了基于外围修饰拓展分子平面，以提升MR-TADF材料水平取向构建高性能窄光谱蓝色OLED器件的策略。基于该策略设计的MR-TADF分子3QCzBN不仅具有窄的半峰宽（FWHM = 22 nm），而且兼具优异的Θ//（98%）和接近100%的荧光量子产率（PLQY）。得益于优异的光物理性质，相应的电致发光（EL）器件实现了34.8%的EQEmax，且表现出较低的效率滚降。
作者选用DPACzBN2为母核，因为其蓝光发射和位于咔唑单元上的两个潜在活性位点。通过将两个具有优越光电性能、平面几何结构和吸电子能力的二苯基三嗪（DPTRZ）基团整合到MR核心的咔唑单元中，预期得到的化合物将具有拓展的平面结构和更高的平面性。虽然不可避免地会延长咔唑单元的平面区域，导致π共轭的延长和红移发射，但三嗪环的弱共轭和DPTRZ基团的吸电子特性可以显著减轻发射红移，从而保证蓝光发射。
为了深入理解3QCzBN的电子构型，并检验DPTRZ基团的影响，进行了基于密度泛函理论（DFT）计算模拟。其中，3QCzBN的S1能级仍保持在2.91 eV的高值，表明其蓝光发射特性。此外，3QCzBN具有更高的振子强度（0.3469），预示着高的PLQY。值得注意的是，DPTRZ基团与咔唑平面之间的旋转角度大约为2°，表明3QCzBN的平面结构。作者使用分子材料性质预测包（MOMAP）对重组能（Λ）和黄-里斯因子（HRF）进行了全面分析，进一步预测FWHM。3QCzBN展示了总计1487 cm-1的Λ，低于DPACzBN2的1676 cm-1。此外，与DPACzBN2相比，3QCzBN表现出降低的HRF，这揭示了3QCzBN分子具有更小的结构弛豫和振动变化，因此将具有小的FWHM。这些结果验证了所采用的分子设计策略的有效性。
图2. （a）3QCzBN的合成路线。（b）3QCzBN和DPACzBN2的理论计算结果
图3. 3QCzBN和DPACzBN2的光物理性质。
光谱研究如图3所示，两种分子都展现出窄谱带蓝光发射，峰值/FWHM值分别为DPACzBN2的459/23 nm和3QCzBN的464/22 nm，结果与计算模拟非常吻合。在2,6-DCzPPy薄膜中的峰值/FWHM值分别为470/27 nm和476/29 nm（图3c）。重要的是，两种材料在掺杂薄膜中展现出极好的PLQY值，DPACzBN2为92%，3QCzBN为97%。如图3d瞬态光致发光（TRPL）光谱所示，拟合得到DPACzBN2的τPF/τDF寿命分别为5.4 ns/45.5 μs，3QCzBN的分别为4.9 ns /26.0μs。基于TRPL数据和PLQY，计算了光物理过程中的关键动力学常数。3QCzBN显示出更快的单重态辐射衰减（kr,S）和反向隙间窜越（RISC）速率常数，分别为1.36×108 s-1和5.57×104 s-1。相比之下，DPACzBN2的相应值仅为1.315×108 s-1和3.23×104 s-1，表明3QCzBN具有更强的TADF特性。
图 5. HF器件的性能。(a) 两个器件的EQE-L曲线和EL光谱。 (b) 电流密度和亮度与电压（J-V-L）特性。 (c) MR-TADF材料在440-480 nm区域的Θ//和 (d) EQE的总结图。
为了评估DPACzBN2和3QCzBN的电致发光性能，作者分别制备了二元器件和超荧光（HF）OLED器件（图5、表1）。其中在HF器件中，选择了3Cz2BN作为TADF敏化剂，而PPF由于其高三重态能级和与敏化剂的能量匹配，被用作主体，DPACzBN2或3QCzBN作为发光客体。结果表明，两种HF器件均展现出蓝光发射，峰值/FWHM值分别为461/34 nm和471/34 nm。其中，基于3QCzBN的HF器件达到了34.8%的EQEmax，超过了基于DPACzBN2器件所达到的28.5%的EQEmax。证明了3QCzBN更为优越的器件性能。为了提供比较视角，作者总结了3QCzBN与其他已报道的蓝光区域（<480 nm）的MR-TADF材料的Θ//值和EQEmax。如图5所示，3QCzBN在Θ//和EQEmax方面均表现出色，是最高效的蓝色MR-TADF材料之一，进一步凸显了其卓越的性能，这也进一步验证了分子设计策略的合理性。
相关成果以标题“Planar Expansion Enhances Horizontal Orientation of Multi-Resonance TADF Emitter Toward Highly Efficient Narrowband Blue OLEDs”发表于Advanced Functional Materials（影响因子18.5，中科院JCR一区），深圳大学黄忠衍助理教授和杨楚罗教授为本文通讯作者。
论文信息：
标题：Planar Expansion Enhances Horizontal Orientation of Multi-Resonance TADF Emitter Toward Highly Efficient Narrowband Blue OLEDs
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202409244
