华南理工大学赵祖金教授课题组 Sci. Adv.: 纯有机室温磷光敏化剂制备高性能超荧光OLED

2025-03-24 来源：高分子科技

有机发光二极管（organic light-emitting diode, OLED）是一种具有自发光、轻薄、柔性、节能等优势的新型显示和照明技术。在基于多重共振延迟荧光（multi-resonance thermally activated delayed fluorescence, MR-TADF）材料的OLED器件中，引入磷光材料作为敏化剂，可以得到高效率、窄光谱、长寿命的超荧光OLED器件，在超高清显示领域中有较好的应用前景。不同于含有铱、铂等金属的传统磷光材料，纯有机室温磷光（room-temperature phosphorescence, RTP）材料成本低廉，对环境友好，更有利于大规模生产。然而，受限于现阶段纯有机RTP分子较低的系间窜越速率和磷光量子产率，基于纯有机RTP发光客体或敏化剂的OLED器件性能仍未达到预期，这阻碍了RTP材料在OLED技术中进一步的应用。

图1. 两种纯有机RTP材料的结构与性能对比

近日，华南理工大学赵祖金教授课题组开发了一种基于噻吨酮的高效RTP分子3,2-PIC-TXT（图1）。3,2-PIC-TXT的吸收峰位于380 nm，对应其分子内的电荷转移（CT）态吸收。在氮气环境下，3,2-PIC-TXT的光致发光峰位于513 nm。若在3,2-PIC-TXT的甲苯溶液中通入氧气，则其光谱会迅速减弱且蓝移，这与已报道的RTP分子3,2-PIC-XT类似。进一步通过测试不同温度下的发光寿命和室温下的时间分辨光谱，确定了3,2-PIC-TXT室温下磷光发射的特性（图2）。由于硫的重原子效应，3,2-PIC-TXT的磷光辐射跃迁速率（k_phos= 6.8 × 10⁵ s^–1）、磷光成分占比（r_phos= 98.3%）相比3,2-PIC-XT（k_phos= 2.4 × 10⁵ s^–1，r_phos= 64.6%）都有了显著提升。

图2. 3,2-PIC-TXT的光物理性质

随后，作者以3,2-PIC-TXT、3,2-PIC-XT为发光客体制备了掺杂OLED器件，并与传统磷光材料Ir(ppy)₃进行对比（图3）。基于3,2-PIC-TXT的掺杂OLED器件的电流效率（CE）、功率效率（PE）和外量子效率（EQE）峰值分别为92.2 cd A^–1、96.6 lm W^–1 和33.2%，效率滚降较小，性能优于3,2-PIC-XT（87.9 cd A^–1、96.8 lm W^–1和30.8%）及Ir(ppy)₃（90.8 cd A^–1、83.8 lm W^–1和25.2%）。

图3. RTP磷光材料和金属络合物磷光材料的掺杂器件性能对比

进一步地，作者将3,2-PIC-TXT、3,2-PIC-XT和Ir(ppy)₃作为敏化剂，BN2、tCzphB-Fl和tCzphB-Ph这三种MR-TADF材料作为发光客体，制备了一系列磷光敏化MR-TADF超荧光OLED器件（图4）。这些超荧光器件都表现出优异的效率和较窄的半峰宽。其中，以3,2-PIC-TXT为敏化剂的超荧光器件效率最优，其CE、PE和EQE分别达到150.9?179.9 cd A^–1、165.2?195.7 lm W^–1和40.9%?43.8%。作者还利用3,2-PIC-TXT敏化剂和tCzphB-Fl客体构筑了层间敏化器件，不仅简化了制备工艺，还实现了优异的器件性能（165.4 cd A^–1、155.1 lm W^–1和40.2%）；层间敏化器件的效率滚降相比传统同相敏化器件更小（1000 cd m^–2下的EQE仍保持在30.5%）。

图4. 磷光敏化剂制备MR-TADF超荧光OLED器件的性能

最后，作者评估了基于RTP敏化剂的超荧光OLED的器件工作稳定性（图5）。基于3,2-PIC-TXT敏化剂和tCzphB-Fl客体的超荧光器件，在10000 cd m^–2的起始亮度下，LT₈₀（亮度衰减至起始亮度80%的时间）为110.1小时，优于3,2-PIC-XT敏化剂（82.3小时）和不含敏化剂的器件（15小时）。综上所述，RTP敏化剂的引入有利于提升MR-TADF器件的效率和稳定性，并且通过引入硫的重原子效应，器件的综合性能还可以进一步得到提升。

图5. RTP敏化MR-TADF超荧光器件的工作寿命、色坐标；文献报道的绿光MR-TADF器件与本文报道的RTP敏化MR-TADF器件性能对比

以上研究论文以“Purely organic room-temperature phosphorescence sensitizers for highly efficient hyperfluorescence OLEDs”为题发表在Science Advances（2025, 11, eadt7899）上。论文第一作者是华南理工大学的曾嘉杰博士，通讯作者是华南理工大学赵祖金教授。该工作受到国家自然科学基金（22375066、U23A20594和21788102）和广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040003）的资助支持。

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt7899

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（责任编辑：xu）

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