华南理工大学赵祖金教授《Nat. Commun.》：利用手性TADF敏化剂和非手性MR分子构建超荧光圆偏振OLED
在现代显示技术与光学通信领域，圆偏振光（CPL）因其独特的光学特性展现出巨大的应用潜力，在3D显示、信息加密，光电器件和自旋电子学等领域发挥着重要作用。相比于依赖偏振器和四分之一波片来获取圆偏振光的传统方法，直接利用手性发光材料产生圆偏振光被认为是一种更简单高效的方式。热活化延迟荧光（TADF）材料能通过快速的反向系间窜跃（RISC）过程利用三线态激子，从而实现高效的电致发光，但开发兼具高发光效率和CPL特性的圆偏振热激活延迟荧光（CP-TADF）材料仍是当前研究的难点。此外，随着显示技术对超高分辨率的要求不断提升，大多数光谱较宽的CPL材料无法满足当前的显示需求，开发同时具有窄光谱和高效率的圆偏振有机发光二极管（CP-OLED）变得尤为重要。
近日，华南理工大学赵祖金教授团队报道了构建窄光谱和高效率CP-OLED的新方法。首先通过引入手性单元到扭曲的TADF骨架中，设计合成了两对高效的CP-TADF分子(R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC（图1），它们都具有高的荧光量子产率、良好的发光不对称因子和高水平偶极取向。这些分子不仅可以作为发光客体制备高效的CP-OLED，更重要的是，它们还可以作为手性TADF敏化剂敏化非手性多重共振（MR）分子，构建具有窄光谱和高效率的超荧光CP-OLED。此外，作者还提出并制备了叠层超荧光CP-OLED，叠层器件表现出51.3%的最大外量子效率，同样具有窄发射特性的圆偏振电致发光（CP-EL）。超荧光CP-OLED中非手性MR发光客体产生CP-EL信号的潜在机制可能是圆偏振荧光共振能量转移（CP-FRET）以及手性诱导自旋选择性（CISS）效应的协同作用。
图1. (R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC的分子结构、晶体结构和前线轨道分布
由于(R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC具有优异的CP-TADF性质，首先将其用作发发光客体制备了掺杂CP-OLED（图2）。这些器件表现出高达33.8%的最大外量子效率，并且具有良好的CP-EL信号。其中，高的水平偶极取向对掺杂CP-OLED的器件性能提升也起到了重要作用。
图2.基于CP-TADF材料的掺杂CP-OLED的电致发光性能
图3.基于手性TADF敏化剂和非手性MR发光客体的同相敏化超荧光CP-OLEDs的电致发光性能
尽管这些CP-TADF材料在掺杂CP-OLED中表现出优异的器件效率，但CP-EL光谱较宽，为了提高CP-OLED的色纯度，作者将这些CP-TADF材料作为敏化剂，非手性窄光谱的MR分子v-DABNA和BN2作为发光客体，制备了同相敏化的超荧光CP-OLED。同相敏化器件的最大外量子效率分别为28.5%和31.4%，半峰宽仅为20和42 nm，并且具有窄光谱发射的CP-EL信号（图3）。
图4.基于手性TADF敏化剂和非手性MR发光客体的层间敏化超荧光CP-OLED的电致发光性能
在同相敏化的超荧光CP-OLED中，手性敏化剂和非手性发光客体共掺杂到一个主体中，非手性发光客体的CP-EL信号可能会受到相邻手性敏化剂的手性环境的影响。为了深入探究敏化器件中手性转移的机制，作者将手性敏化剂和非手性发光客体分别掺杂到两个独立的功能层，构建了层间敏化超荧光CP-OLED（图4）。结果显示，不同结构配置的层间敏化器件都表现出窄光谱发射的CP-EL信号，这可能是由于电荷载流子在通过器件中的手性敏化层后发生自旋极化，其中一部分可以直接在含有非手性MR分子的发光层中复合，从而使非手性MR发光客体产生CP-EL信号。这些结果表明，CISS效应和CP-FRET可能协同作用使得敏化器件中非手性MR材料产生CP-EL信号。
此外，作者还提出并制备了叠层超荧光CP-OLED，叠层器件表现出51.3%的最大外量子效率，并且CP-EL信号也略微增强，与非叠层CP-OLED相比，展现了更高的电致发光效率和更强的CP-EL信号（图5）。在叠层超荧光CP-OLED中，两个含有非手性MR分子的发光层可能会产生具有相同光学活性的CP-EL并形成光波的相长干涉，从而使得圆偏振电致发光性能增强，这表明叠层器件结构可能是提升圆偏振电致发光性能的一个有效途径。
图5.基于手性TADF敏化剂和非手性MR发光客体的叠层超荧光CP-OLED的电致发光性能
综上所述，这项工作不仅开发了高效的CP-TADF材料，还提供了一种利用CP-TADF敏化剂和非手性MR发光客体构建超荧光CP-OLED的简便方法，并阐明了使非手性MR分子产生CP-EL信号的潜在敏化机制，提出的叠层超荧光CP-OLED也展示了更优异的器件性能，为CP-OLED的发展和应用提供了新的思路。研究内容以“Hyperfluorescence circularly polarized OLEDs consisting of chiral TADF sensitizers and achiral multi-resonance emitters”为题发表在Nature Communications上。该工作的通讯作者为华南理工大学赵祖金教授，第一作者是华南理工大学博士研究生陈乐田和硕士研究生邹鹏。该工作受到国家自然科学基金（U23A20594和22375066）和广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040003）的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56923-6
