武漢大學新研究：橙紅光OLED效率達到29.2%。最近，熱活化延遲熒光（TADF）材料以其獨特性能獲得廣泛關注，被認為是繼傳統熒光材料和重金屬配合物磷光材料之后最具有發展潛力的第三代發光材料。在過去幾年中，TADF材料的電致發光性能獲得了長足進步。

在天藍光區域，其外量子效率（EQE）已接近37%；在綠光區域，其EQE也已超過30%。而作為全色發光不可或缺的成分，橙紅光TADF材料的發展則明顯滯后。截至目前，橙紅光TADF材料的相關報道遠少于藍光和綠光TADF材料，并且基于橙紅光TADF材料的OLED的最高EQE仍停留在17.5%。為了填補這一空白，目前亟待開發更高效的新型橙紅光TADF材料。

【成果簡介】

近日，武漢大學楊楚羅、龔少龍團隊和臺灣大學吳忠幟(吳忠幟)（共同通訊）團隊合作，在橙紅光TADF材料研究方面取得了重大進展。該工作基于電子給體-受體（D-A）分子結構，通過結合1,8-萘二酰亞胺（NAI）電子給體單元和不同的芳胺類電子受體單元，9,9二甲基吖啶（DMAC）和9,9-二苯基吖啶（DPAC）, 構建了兩個目標分子NAI-DMAC和NAI-DPAC。兩個化合物均獲得了橙紅光發射，并且具有高的光致發光量子產率（60%和79%），優異的TADF性能（超過85%的延遲比率）和良好的水平躍遷偶極矩取向性（71%和74%）。

基于這兩種橙紅光TADF材料的OLED獲得了目前最高的橙紅光TADF器件效率：在581-600 nm發射峰值范圍內，其EQE保持在21-29.2%的高水準。值得強調的是，這是目前首例報道的基于橙紅光TADF材料的EQE超過20%的OLED，并且29.2%的EQE遠超此前已報道的17.5%的紀錄，成為目前橙紅光TADF器件的最高效率。研究人員對高效率器件的內在機制進行了探索，發現了光學微腔效應對于提升激子利用率和發光量子產率方面的重要貢獻。

該成果以題為：“Achieving Nearly 30% External Quantum Efficiency for Orange–Red Organic Light Emitting Diodes by Employing Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters Composed of 1,8-Naphthalimide-Acridine Hybrids”，發表在Advanced Materials上。

【圖文解讀】

圖一 NAI-DMAC和NAI-DPAC的分子結構能級結構研究 

 

a) TADF材料的分子結構式；

b) 密度泛函理論計算得出的分子前線軌道能級和激發態能級；

c) 優化基態結構的前線軌道分布（藍色為HOMO,紅色為LUMO）；

d) 單晶結構；

圖二 NAI-DMAC和NAI-DPAC的光致發光性能研究。 

 

a) NAI-DMAC和NAI-DPAC在甲苯溶液中的紫外可見吸收光譜和熒光發射光譜；

b) NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的熒光和磷光光譜；

c) NAI-DMAC和NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的瞬態熒光衰減曲線。

圖三 NAI-DMAC和NAI-DPAC的躍遷偶極矩取向性能研究 

 

a) NAI-DMAC和c) NAI-DPAC在mCPCN摻雜薄膜中的p偏振光致發光強度相對于發射角度的分布（實心方塊），擬和曲線（實線）與理論曲線（虛線，各向同性及完全水平取向）；

b) NAI-DMAC 和d) NAI-DPAC基于含時密度泛函理論計算的躍遷偶極矩取向和大小。

圖四 基于NAI-DMAC和NAI-DPAC材料的OLEDs器件性能表征 

 

a) 器件結構，相關材料的能級結構以及分子結構圖；

b-d) 基于NAI-DMAC和NAI-DPAC的OLED器件電致發光光譜，電流密度-電壓-發光亮度曲線，EQE和功率效率相對于發光亮度曲線；

e)單層發光層薄膜和完整器件的瞬態光致發光衰減曲線。

圖五 EQE性能對比 

 

EQE與EL峰值與此前已報道工作的對比。

【小結】

該工作通過合理的分子設計，構建了兩個橙紅光有機發光分子。這些材料在確保優良TADF性能的同時，兼顧了高的光致發光量子產率和良好的水平躍遷偶極矩取向性，最終獲得了橙紅光OLED破紀錄的29.2%的EQE，大大超越所有先前報道的橙紅光TADF 器件性能。研究還發現了光學微腔效應對于提升激子利用率和發光量子產率方面的重要貢獻。這項工作不僅為橙紅光TADF材料設計提供了一條可行的思路，而且強調了通過合理的分子設計和器件結構優化充分挖掘材料性能的觀點。這對于設計和篩選高效TADF材料有著重要意義，尤其在分子設計要求嚴苛的深藍-紫外以及近紅外區域（其分子設計上很難同時兼顧發光材料各方面性能）。