同分异构体的激发态分子轨道调控构筑全色高效有机电致发光材料

01 引言

有机电致发光器件（OLED）是继阴极射线管（CRT）和液晶（LCD）之后最有应用前景的第三代平板显示技术，具有响应速度快、宽视角、低能耗、高色彩饱和度、可实现柔性及透明显示等诸多优势，是满足未来超高清显示、柔和个性化固态照明等需求的最佳选择。显示技术或器件性能的提升，发光材料的开发是关键。在电场下，为了实现理论上的100%激子利用率，早期的高效发光材料一般通过引入重金属构筑的磷光材料，但贵重金属一方面稀缺、毒性大、且三线态寿命长，高亮度/电流密度下易产生淬灭，影响了器件寿命。近年来迅速发展起来的基于热活化延迟荧光材料（TADF）不仅实现了理论上100%内量子效率的利用，也不需要引入贵重金属，且有望打破现有专利垄断格局已逐渐成为OLED领域包括学术界和产业界的关注热点。

为了实现覆盖从蓝光到红光的全色显示，发光材料的设计中往往需要引入杂原子（N、O、S等），构筑更多的跃迁通道，如n-π*，给受体-受体电荷转移态（ICT），特别是要实现红光发射往往还需要借助拓宽共轭区域以及增强给受体之间的ICT。但是，一方面，杂原子的引入势必会降低材料的化学稳定型；此外，合成难度也会随之增加。在不引入杂原子，也不额外增加分子共轭的前提下，基于纯碳氢体系，通过改变共轭稠环的稠合方式及稠环大小，调控其基态与激发态分子轨道类型实现从近紫外到近红外的全光谱覆盖，将有望实现并拓展纯碳氢发光材料在高效有机电致发光器件中的应用，同时为深化理解纯碳氢类分子发光调控的本质，为构筑特定光色且高荧光量子效率、高激子利用率的发光材料提供理论支撑。

本项目将基于经典的纯碳氢荧光分子芘，通过改变稠环组合次序、引入具有反芳香性的非六元稠环构筑一系列芘异构体，结合理论计算及鸿之微的MOMAP软件模拟筛选出合适的稠合方式，以构筑纯碳氢分子在不改变有效共轭长度的前提下实现近紫外到近红外发光。通过调控合适的激发态能级同时有望实现纯碳氢材料的TADF以及反卡莎发光等特性拓宽其应用场景。

02 成果简介

基于纯碳氢芘异构体，通过改变其稠环类型，芳香性等参数构筑了一系列的，纯碳氢发光分子母核。进一步，基于MOMAP软件，并结合Gaussian常规结构优化，模拟出这些异构体的理论光谱，以及激发态能级构成，构筑了合适的分子设计逻辑，从而实现了在不额外引入杂原子且不改变有效共轭长度的前提下大幅调节发射光谱（从近紫外到红外发光波段的覆盖）。基于MOMAP的振动分析数据详细阐明了AAE及其衍生物反卡莎发光的本质，以及APD能实现纯碳氢TADF特性的内在机制。基于上述结论指导，构筑了四种纯碳氢荧光分子，实现了红绿蓝全彩色OLED，器件最大外量子效率突破9.2%，为非掺杂纯荧光材料的最优值，此外，报道了首例全碳氢TADF-OLED。

03 图文导读

图1、芘异构体的构建和基于MOMAP软件的理论光谱模拟，以及四苯乙烯单元修饰的芘异构体的分子结构。

图2、芘异构体基态及激发态的芳香性/反芳香性对比图。

图3、六种代表性芘异构体的空穴-电子分析、前线轨道组成信息。

图4、芘异构体以及基于这些芘异构体构筑的荧光分子的吸收、发射、低温磷光光谱。

图5、AAE和TPE-AAE分子，基于MOMAP软件计算的振动分析结果，以及其反卡莎发光本质。

图6、三个纯碳氢荧光分子的瞬态荧光光谱。

图7、基于纯碳氢荧光分子为发光层的OLED结构以及不同掺杂浓度下的器件外量子效率-亮度曲线。

04 小结

基于MOMAP软件理论计算为指导，通过改变芘异构体的稠环方式、芳香性/反芳香性占比实现了纯碳氢分子从近紫外到红外波段的光谱覆盖；

基于MOMAP的振动分析和光谱模拟，详细阐明了AAE类分子反卡莎发光的本质，以及纯碳氢APD衍生物实现TADF特性的机制；

基于不同芘异构体为母核，构筑了四个抗浓度淬灭的纯荧光发光材料，成功制备了红、绿、蓝全彩色OLED，器件最大外量子效率突破9.2%，且非掺杂效率也达到9.1%，为非掺杂纯荧光材料的最优值；

本工作报道了首例全碳氢TADF-OLED。

 





审核编辑：刘清