深圳大学杨楚罗团队Nat. Photon.：面向超高清显示的深蓝光有机发光二极管

有机发光二极管（OLEDs）作为新一代平板显示技术已广泛使用在中小尺寸显示屏上。高清化是显示技术发展的趋势之一，也对OLED发光材料提出了更高的要求。窄谱带发射的OLEDs材料和器件是获得高色纯度和高饱和画质从而满足高清化显示要求的关键。众所周知，蓝光发光材料一直是OLED显示技术中的关键和瓶颈，研发高色纯度的有机窄光谱蓝光材料可谓是难上加难，面临诸多挑战。

2024年8月19日，深圳大学杨楚罗教授团队在国际著名期刊Nature Photonics（《自然·光子学》）上发表题为“Deep-blue organic light-emitting diodes for ultrahigh-definition displays”（面向超高清显示的深蓝光有机发光二极管）的研究论文。值得一提的是，2022年杨楚罗教授团队曾在Nature Photonics报道了基于含硒热活化延迟荧光材料的OLEDs（Nat. Photon., 2022, 16, 803–810，点击阅读详细），本文是他们在该期刊上发表的有关窄光谱发光材料与器件的第二篇研究论文。

杨楚罗教授团队针对硼、氮杂稠环结构的多重共振热活化延迟荧光（MR-TADF）材料提出了一种“共振骨架拓展协同扭曲构型”的分子设计策略，构建了新型的窄光谱蓝光发光分子，其兼具高刚性结构、强旋轨耦合和最小化的成键/反键轨道特性，实现了极窄的发光光谱和快速的自旋翻转。实验结果显示，最优分子在甲苯稀溶液中展现出峰值位于458 nm的深蓝光发射和仅12 nm的半峰全宽（FWHM），而反向系间窜越速率常数（k_RISC）高达2.29 × 10⁶ s⁻¹。相应OLED器件FWHM低至14 nm，色坐标为（0.141, 0.050），外量子效率高达39.2%。通过进一步优化器件结构，敏化型叠层器件实现了74.5%的超高外量子效率（EQE）和较低的效率滚降。

Fig. 1 | Molecular design. a, The chemical structures of DPA-B2, DPA-B3, DPA-B4 and Cz-B4. b, The frontier molecular orbital distributions (Red color represents LUMOs and blue color represents HOMOs). c, The transition energies and spin-orbital coupling (SOC) constants. d, Theoretical estimation of the total reorganization energies (Λ, Red box represents Λ_s1 and blue box represents Λ_s0). e, The reorganization energy versus frequency plots.

分子设计策略和相关理论研究结果如Fig. 1所示。基于双硼化合物DPA-B2，作者构筑了三硼及四硼MR-TADF发光分子DPA-B3和DPA-B4。理论计算表明：（1）共振骨架的拓展有效促进了分子内短程电荷转移，使前线分子轨道更加离域，DPA-B4的单、三重态能级差（ΔE_ST）显著降低；（2）氧原子的引入使DPA-B4的S₁态能量（3.12 eV）仅较DPA-B2（3.26 eV）及DPA-B3（3.19 eV）略有红移，保持了其深蓝光发射特性；（3）DPA-B4中高频振动模式得到抑制，体系重组能明显低于其它分子，有助于光谱窄化及肩峰抑制；（4）扭曲的分子骨架使DPA-Bn呈现出较大的激发态旋轨耦合因子。

Fig. 2 | Photophysical properties of DPA-B2, DPA-B3, DPA-B4, and Cz-B4. a, Fluorescence spectra in SiTrzCz2 (1 wt% doped film) at 300 K (insert: photographs of the doped films under 365 nm UV light excitation). b, Transient photoluminescence decay curves in SiTrzCz2 (1 wt% doped film), τ_PFand τ_DF denote prompt and delayed fluorescence lifetime, respectively, with corresponding ratios in parentheses. c, Colour coordinates in the film state. d, Photoluminescence quantum yield values (Φ_PLs) and reverse intersystem crossing rate constants (k_RISCs).

作者系统研究了该系列分子在溶液态及薄膜态的光物理特性（Fig. 2）。四种化合物在甲苯溶液中的最大发射波长分别为440、448、458和455 nm，FWHM值依次为27、14、12和24 nm。薄膜状态下，DPA-B4分子展现出最快的辐射跃迁速率（k_r = 8.66×10⁷s^–1）及最低的非辐射衰减（k_nr = 0.88×10⁶ s^–1），k_RISC值达2.29×10⁶ s^–1。上述研究结果充分表明无论是溶液态还是薄膜态的光物理性能都与理论模拟结果相吻合。

Fig. 3 | The electroluminescence performance of the non-sensitized OLEDs based on DPA-B2, DPA-B3, DPA-B4, and Cz-B4. a, Device architecture with energy level alignment of the relevant materials. b, Electroluminescence spectra. c, Current efficiency and power efficiency versus luminance (CE-L-PE) curves. d, Current density and luminance vs voltage (J-V-L) characteristics. e, External quantum efficiency versus luminance (EQE-L) curves. f, EQE versus CIE_y plots of representative deep-blue OLEDs without light-outcoupling enhancement techniques.

作者进一步对蓝光MR-TADF材料的电致发光性能进行了深入研究。基于DPA-B4的二元OLED器件不仅满足BT.2020蓝光标准，还表现出卓越的电致发光性能，对应EQE_max/1000为39.2%/28.7%，FWHM仅为14 nm。TADF敏化剂的引入不仅进一步提高了OLED器件效率（EQE_max/1,000达44.6%/38.8%），同时仍然保持窄光谱发射特性。在此基础上，通过构建敏化型叠层器件，EQE_max/1,000进一步提升至74.5%/65.3%。

Fig. 4 | The EL performance of the hyperfluorescent (HF) device (a, b, c) and two-unit tandem HF device (d, e, f) based DPA-B4. a and d, External quantum efficiency versus luminance (EQE-L) curves (Insert: Electroluminescence spectra). b and e, Current efficiency and power efficiency versus luminance (CE-L-PE) curves. c and f, Current density and luminance versus voltage (J-V-L) characteristics.

该研究成功实现了OLED在深蓝光区域色纯度和发光效率的突破，为广色域超高清OLED显示迈出了重要一步。

深圳大学材料学院副研究员华涛、副教授曹啸松和助理教授缪景生为本研究工作的共同第一作者，深圳大学材料学院讲席教授杨楚罗教授为唯一通讯作者，深圳大学为唯一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目、广东省基础与应用基础基金、深圳市科技创新局、深圳大学的资助。

杨楚罗教授课题组招聘有志于OLED材料和器件的博士后和研究人员，提供国际一流的OLED研究平台，课题组网页：

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