多共振热激活延迟荧光过程的理论研究

本工作借助第一性原理和动力学演化,系统地研究了四个叔丁基-咔唑及吩噻嗪取代的硼-氮化合物(BCz-BN、2PTZ-BN、Cz-PTZ-BN和2Cz-PTZ-BN)的多共振热激活延迟荧光的高效发光机制.结果表明上述分子T₁与T₂间的内转换速率远大于其它辐射与非辐射速率,同时T₂到S₁的反向系间窜越速率也高于T₁到S₁的反向系间窜越速率,因此其多共振热激活延迟荧光过程应遵循T₁→T₂→S₁→S₀的路径.进一步动力学演化表明,T₁与T₂之间的内转换主要发生在演化初期,随着时间的推移,能量逐渐由T₂向S₁转移,并最终在S₁完成荧光发射.上述研究揭示了多共振延迟荧光的微观本质,为未来设计及合成新的多共振热激活延迟荧光分子提供了理论依据.     

蓝光热激活延迟荧光分子设计策略概述

热激活延迟荧光（thermally activated delayed fluorescence,TADF）分子由于三重态上的激子可以通过反向系间窜越到单重态并辐射发出荧光,因此在有机发光二极管（organic lightemitting diode, OLED）中理论上可以实现100%的激子利用率。具有TADF特性的发光材料融合了第一代荧光材料和第二代磷光材料的优点,不仅可以实现100%的内量子效率,还有助于降低器件的材料成本,被誉为第三代OLED发光材料,并成为突破高效稳定蓝光OLED瓶颈的潜在解决方案。本文从发光机理出发,系统阐述了高效稳定蓝光TADF分子的设计策略,包括高荧光量子产率、短延迟荧光寿命、窄发射光谱半峰宽、显著的水平分子取向和良好的光电稳定性等。本文旨在为高性能蓝光TADF分子的开发提供理论支持。最后,总结了当前蓝光TADF材料存在的问题,并对其未来的发展前景进行了展望。     

3CzIPN分子热活化延迟荧光机制的理论研究

运用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,在以苯为溶剂的可极化连续模型(PCM)下,研究了2,4,6-三(9-咔唑基)-间苯二腈(3CzIPN)分子发生热活化延迟荧光(TADF)的反应机制.计算结果表明,3CzIPN分子的单-三态能量差非常小,仅为0.124 eV,这对反系间窜越(RISC)非常有利.此外,3CzIPN分子的RISC速率达到了104数量级,表明3CzIPN分子可能是一个潜在的TADF发射体.     

以1,3-茚二酮为电子受体的热激活延迟荧光分子的合成及其在有机发光二极管中的应用

本文设计合成了一种新型电子受体2,2-二甲基-1,3-茚二酮,并将其应用于热激活延迟荧光(TADF)分子的设计中,合成了一系列具有不同发光性能的TADF分子:5-二甲基吖啶基-2,2-二甲基-1,3-茚二酮(IDYD),5-吩噁嗪基-2,2-二甲基-1,3-茚二酮(IDPXZ)和5,6-二吩噁嗪基-2,2-二甲基-1,3-茚二酮(ID2PXZ)。以IDYD为客体掺杂制备得到蓝光OLED器件,其CIE值为(0.27,0.31),最大外量子效率(EQE)为2.13%。以IDPXZ为客体掺杂得到橙光OLED器件,其CIE值为(0.43,0.53),EQE为1.31%。以ID2PXZ为客体掺杂得到黄光OLED器件,其CIE值为(0.41,0.54),EQE为2.55%。上述结果证明了以2,2-二甲基-1,3-茚二酮为电子受体可以得到不同发光颜色的TADF分子,并在全色OLED器件中具有一定应用前景。     

聚合物热激活延迟荧光材料的分子设计与器件性能

聚合物热激活延迟荧光(TADF)材料应用于有机发光二极管(OLEDs)中以来,取得了飞速发展,迄今为止已经报道了多种不同分子结构及性能优异的聚合物TADF发光材料.它们具有不含重金属的化学结构、100%的理论内量子效率和易于通过溶液加工进行大面积制造的优势.本文从分子结构和发光颜色2个角度总结了不同结构TADF聚合物的研究进展,重点介绍了我们课题组在长链型TADF聚合物设计与OLEDs器件性能方面的研究工作,探究TADF聚合物颜色调控与效率提升的途径,论述了TADF聚合物存在的问题与未来发展.     

采用聚合物基质材料的热激活延迟荧光及其敏化器件

报道了基于热激活延迟荧光材料2, 4, 5, 6-四(9-咔唑基)-间苯二腈(4CzIPN),聚合物聚(9-乙烯基咔唑)(PVK)和小分子材料2, 2'-(1, 3-苯基)二[5-(4-叔丁基苯基)-1, 3, 4-噁二唑](OXD-7)为共主体材料的发光器件,器件的外量子效率达到13%;进一步研究4CzIPN敏化5, 6, 11, 12-四苯基并四苯(Rubrene)的器件,外量子效率达到9.2%,为未掺杂4CzIPN器件的5.4倍。通过瞬态光谱测量证实敏化器件的发光机制为F?rster能量转移,并探讨了Rubrene浓度和载流子平衡对器件发光特性的影响,推测Rubrene自聚集是限制敏化器件效率的内在原因。     

基于三苯胺/二苯砜的热激活延迟荧光材料

通过Suzuki反应合成了三种基于三苯胺/二苯砜的热激活延迟荧光(TADF)材料(1-3),采用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、时间分辨荧光发射光谱、循环伏安(CV)测试、理论计算、热重分析和差示扫描量热法,系统地研究了三种材料的光物理、电化学、延迟荧光性能和热稳定性.材料1-3均为基于分子内电荷转移(ICT)的双极性分子.三种材料在薄膜中的单线态-三线态能级差分别为0.46、0.39和0.29 eV.荧光量子效率和荧光寿命的测试结果表明,三种材料均能发射延迟荧光,其中材料3具有最佳的延迟荧光性能.材料1-3的最高占有分子轨道(HOMO)能级分别为-4.91、-4.89和-4.89 eV.结合UV-Vis吸收光谱中得到的能隙(E_g)值,我们得到材料1-3的最低未占分子轨道(LUMO)能级,分别为-1.74、-1.89和-1.94 eV.热分析的结果表明,材料1-3具有其较高的热分解温度(T_d,失重5%时的温度),分别为436、387和310 ℃.     

基于四氰基受体单元的高效近红外热激活延迟荧光

以二吡啶并吩嗪为受体单元,三苯胺(TPA)为给体单元,设计合成了近红外(NIR)热激活延迟荧光(TADF)材料11,12-双[4-(二苯基氨基)苯基]联吡啶[3,2-a:2’,3’-c]吩嗪-3,6,10,13-四甲腈(FCNPZ-TPA).在FCNPZ-TPA分子的受体单元上引入4个氰基增加了受体单元的吸电子能力.考虑到TPA具有优异的给电子能力,将强给体-强受体单元同时引入分子骨架中,使得FCNPZ-TPA的发射波长红移到近红外区域.另外,给体(D)和受体(A)单元之间空间位阻导致FCNPZ-TPA具有扭曲D-A分子构型,从而实现了较小的单线态-三线态能级差(ΔEST).得益于FCNPZ-TPA分子刚性骨架以及较小的ΔEST,当FCNPZ-TPA掺杂在主体4,4’-二(9-咔唑)联苯中时,该有机支光二极管器件在发射波长为742 nm处实现了8.01%的最大外量子效率(EQE).     

蓝色延迟荧光材料及器件的研究进展

有机发光二极管(OLEDs)作为新一代的显示技术,因其启亮电压低、厚度薄、能效高、响应速度快等优点,而被世界各国研究人员所关注。 有机电致发光材料及器件的发展一直备受关注,根据发光机理的不同,有机发光材料可以分为荧光材料和磷光材料。 蓝色荧光材料作为OLEDs发展中的重要部分,拥有磷光材料无法比拟的优势,近年来成为研究热点。 本文介绍了近年来国内外蓝色延迟荧光材料的研究进展,并展望了其发展前景和趋势。     

喹喔啉类红光热活化延迟荧光材料研究进展

红光材料是显示三基色材料之一, 具有发射能量小、穿透能力强和背景荧光干扰小等优点, 被广泛应用于全彩显示、生物传感和光动力治疗等领域. 红光材料目前存在的问题主要有: (1)跃迁能级小, 其非辐射跃迁速率快, 导致量子效率普遍较低; (2)分子共轭较大, 存在较强的π-π堆积作用, 容易导致荧光淬灭; (3)分子设计需要更大的共轭, 在分子合成上较为困难. 热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料作为具有全新的发光机制的材料能够通过反向系间窜越过程利用三重态激子发射荧光, 极大地提高了量子效率, 因此, 基于TADF机制的红光材料成为了近年来人们研究的热点. 由于结构的特点, 喹喔啉及其衍生物非常适合用来构建红光TADF分子. 从喹喔啉类TADF红光材料的分子结构视角出发, 对红光TADF材料的近年来的研究进行概述, 讨论分子结构对材料性能影响, 并且对其发展进行展望.     

Modulation of Thermally Activated Delayed Fluorescence in Waterborne Polyurethanes via Charge‐Transfer Effect

Here, we designed several waterborne polyurethanes (WPUs) with efficient thermally activated delayed fluorescence (TADF) via serving charge‐transfer (CT) states as a mediate bridge between singlet and triplet states to boost reverse intersystem crossing (RISC). By tuning substituents of diphenyl sulfone (DS), we found that O,O′‐ and S,S′‐substituted DS covalently incorporated in WPUs solely show typical fluorescence emission with lifetimes in the nanosecond range. Interestingly, TADF appears by replacing the substituent with the nitrogen atom, of which lifetimes are up to ≈10 microseconds and ≈1 millisecond in air and vacuum, respectively, even though the energy gap between singlet and triplet states (ΔE_ST) is still large for generating TADF. To explain this phenomenon, an energy level mode based on CT states and an ³(n‐π*) receiver state was proposed. By the rational modulation of CT states, it is possible to tune the ΔE_ST to render TADF‐based materials suitable for versatile applications.     

基于给-受体结构的热活化延迟荧光材料

热活化延迟荧光（TADF）材料由于第一单线态（S₁）与三线态激发态（T₁）之间的能级差较小,使得三线态激子能够有效地系间窜越至单线态发光,实现100%的激子利用率,在有机发光二极管（OLED）等领域得到广泛应用,是目前有机电子学研究的热点之一。基于给-受体（D-A）结构构建TADF材料具有分子设计简便、易于制备、性能优异等特点,引起了人们的普遍关注。本文综述了基于D-A结构设计TADF材料的基本原则,依据给受体构筑单元的不同,概括了各类TADF材料的结构和性能特点以及在器件应用等方面的最新研究进展,最后总结了D-A结构型TADF材料尚存在的问题,并对其未来的关键研究方向进行了分析和展望。     

Synergetic Modulation of Steric Hindrance and Excited State for Anti-Quenching and Fast Spin-Flip Multi-Resonance Thermally Activated Delayed Fluorophore

Multi-resonance thermally activated delayed fluorescence (MR-TADF) materials hold great promise for advanced high-resolution organic light-emitting diode (OLED) displays. However, persistent challenges, such as severe aggregation-caused quenching (ACQ) and slow spin-flip, hinder their optimal performance. We propose a synergetic steric-hindrance and excited-state modulation strategy for MR-TADF emitters, which is demonstrated by two blue MR-TADF emitters, IDAD-BNCz and TIDAD-BNCz , bearing sterically demanding 8,8-diphenyl-8H-indolo[3,2,1-de]acridine (IDAD) and 3,6-di-tert-butyl-8,8-diphenyl-8H-indolo[3,2,1-de]acridine (TIDAD), respectively. These rigid and bulky IDAD/TIDAD moieties, with appropriate electron-donating capabilities, not only effectively mitigate ACQ, ensuring efficient luminescence across a broad range of dopant concentrations, but also induce high-lying charge-transfer excited states that facilitate triplet-to-singlet spin-flip without causing undesired emission redshift or spectral broadening. Consequently, implementation of a high doping level of IDAD-BNCz resulted in highly efficient narrowband electroluminescence, featuring a remarkable full-width at half-maximum of 34 nm and record-setting external quantum efficiencies of 34.3 % and 31.8 % at maximum and 100 cd m⁻², respectively. The combined steric and electronic effects arising from the steric-hindered donor introduction offer a compelling molecular design strategy to overcome critical challenges in MR-TADF emitters.     

高分子热活化延迟荧光材料研究进展

高分子热活化延迟荧光材料能够利用热活化的反向系间窜越过程将三线态激子转变为单线态激子而发出荧光,理论上可以实现100%的内量子效率,突破了传统高分子荧光材料内量子效率不超过25%的极限,因而代表了未来低成本高效率高分子发光材料的发展方向。 近年来,高分子热活化延迟荧光材料在分子设计方面取得了重要进展,形成了主链型、侧链型和树枝状高分子热活化延迟荧光材料等材料体系,同时其器件性能得到了大幅提升,部分材料的器件效率达到了高分子磷光材料的水平。 本文从材料和器件两个方面,围绕高分子热活化延迟荧光材料的分子结构、光物理特性和器件性能,总结和评述了国内外研究者在该领域方向的研究进展,并分析了未来发展面临的机遇和挑战。     

The Importance of Vibronic Coupling for Efficient Reverse Intersystem Crossing in Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules

Factors influencing the rate of reverse intersystem crossing (k_rISC) in thermally activated delayed fluorescence (TADF) emitters are critical for improving the efficiency and performance of third‐generation heavy‐metal‐free organic light‐emitting diodes (OLEDs). However, present understanding of the TADF mechanism does not extend far beyond a thermal equilibrium between the lowest singlet and triplet states and consequently research has focused almost exclusively on the energy gap between these two states. Herein, we use a model spin‐vibronic Hamiltonian to reveal the crucial role of non‐Born‐Oppenheimer effects in determining k_rISC. We demonstrate that vibronic (nonadiabatic) coupling between the lowest local excitation triplet (³LE) and lowest charge transfer triplet (³CT) opens the possibility for significant second‐order coupling effects and increases k_rISC by about four orders of magnitude. Crucially, these simulations reveal the dynamical mechanism for highly efficient TADF and opens design routes that go beyond the Born‐Oppenheimer approximation for the future development of high‐performing systems.     

基于铜金属有机配合物的热活化延迟荧光材料

具有热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)特性的配合物可以同时利用单重态和三重态激子,因此发光量子效率较高,近年来受到广大科研工作者的关注。特别是铜金属有机配合物,最低单重态和最低三重态的能量差较小,又可以通过不同配体或取代基进行调节,所以具有较好TADF性能。本文根据配位原子的类型,汇总和分析了近5年具有TADF性质的铜配合物的结构特点和发光性能,并简要讨论了其在有机发光二极管(organic light-emitting diodes,OLEDs)中的潜在应用。