分子拓扑结构导向超窄光谱有机发光材料

2026年6月，深圳大学杨楚罗教授团队在National Science Review（《国家科学评论》）发表了题为“Molecular-Topology-Guided Multiple-Resonance Emitters with Sub-10-nm Bandwidths: Ultranarrow High-Efficiency Solution-Processable OLEDs”的研究论文。该工作面向超高清显示对色纯度发光材料的迫切需求，构建了超窄光谱多重共振发光材料的预测性设计框架，提出了可快速预测发光谱带宽度的基态电子结构描述符，并据此实现了光致发光半峰宽仅9.1 nm的天蓝光发光材料及高性能溶液加工电致发光器件。论文链接：xx。

有机发光二极管（OLED）是新一代显示核心技术。随着超高清显示的发展，发光材料的设计目标已从单纯追求高效率逐步转向效率和色纯度的协同优化。发射谱带宽度决定了颜色边界的锐利程度，是实现高色域覆盖和精准色彩还原的重要基础。近年来，多重共振热活化延迟荧光（MR-TADF）材料因兼具高激子利用率和窄带发射特征而受到广泛关注，被认为是下一代高色纯度OLED的重要候选体系。然而，目前该领域的分子设计仍主要依赖经验驱动，缺乏能够预测发光峰宽的有效理论工具，成为制约超窄光谱材料发展的瓶颈。

      图1 分子拓扑结构导向的超窄光谱有机发光材料理论筛选示意图

针对这一挑战，研究团队提出了分子拓扑结构导向的计算筛选策略。研究以经典MR发光骨架DABNA为原型，构建包含635个候选分子的数据库，系统揭示了分子稠合拓扑结构对激发态结构弛豫和发光线宽的决定性影响。研究发现，特定的交替融合拓扑结构能够显著抑制激发态几何重组和电子—振动耦合，从而有效窄化发射谱带宽度。这一结果首次将“分子拓扑”确立为调控MR发光光谱特性的关键结构维度，为超窄光谱发光材料设计提供了新的结构设计原则。

在此基础上，研究团队进一步提出了基于基态电子结构的简化描述符S2用于预测分子激发态结构弛豫行为。与传统方法相比，S2无需复杂激发态计算即可实现对谱带变化趋势的有效预测，并在多类MR-TADF体系中展现出良好的普适性。基于该描述符，研究建立了分子拓扑—结构弛豫—发光线宽之间的关联，为超窄光谱多重共振发光材料的高通量筛选和预测性设计提供了新的理论工具。

图2 DPA-Bn系列分子的结构与理论计算结果。（a）DPA-B6，DPA-B8和DPA-B10的化学结构及前线分子轨道分布；（b）S2值；（c）重组能；（d）单重态-三重态能隙差和自旋轨道耦合常数

基于计算筛选结果，研究团队设计并合成了DPA-B6、DPA-B8和DPA-B10三种多重共振发光材料。该系列分子通过线性骨架扩展和交替融合拓扑增强分子刚性，逐步抑制激发态结构弛豫。光物理测试表明，DPA-Bn系列材料在天蓝光区域表现出逐渐窄化的发射半峰宽。其中，DPA-B10在溶液中的发射峰位于482 nm，光致发光半峰宽低至9.1 nm，是目前报道光谱最窄的有机发光材料之一。同时，该系列均表现出近乎定量的荧光量子效率，较短的延迟荧光寿命和超快的反向系间窜越过程，为实现高效电致发光奠定了基础。

图3 DPA-Bn系列材料在甲苯溶液中的光物理性能。（a）紫外-可见吸收和荧光光谱图；（b）时间分辨光致发光衰减曲线；（c）基于Arrhenius方程拟合的单重态和三重态能隙差；（d）FOM和反向系间窜越速率。

进一步地，研究团队将该系列发光材料应用于溶液加工OLED器件。通过优化发光层组成与器件结构，在保持超窄光谱发射特性的同时实现了优异的器件效率。其中，基于DPA-B10的器件发射峰位于489 nm，电致发光半峰宽仅为10.9 nm，最大外量子效率达到38.1%，且具有较低的效率滚降，达到了当前溶液加工型器件领先水平。

图4 溶液加工型OLED器件性能。（a）器件结构、功能层材料化学结构和能级图；（b）电流密度-电压-亮度曲线；（c）电致发光光谱；（d）CIE色坐标；（e）外量子效率-亮度曲线；（f）角度依赖偶极取向曲线；（g）基于代表性MR-TADF材料的溶液加工型OLED器件性能

总体而言，该研究构建了从分子设计、计算筛选到实验验证的闭环研究体系，阐明了分子拓扑结构在调控有机稠环发光材料光物理性能中的关键作用，并提出了可用于高通量筛选的基态电子结构描述符。该策略为超窄光谱有机发光材料的理性设计和快速发现提供了新思路，也为面向超高清显示的印刷OLED技术发展提供了重要材料基础。

深圳大学华涛副研究员、李能泉副研究员（现为深圳信息职业技术大学教师）为论文共同第一作者；深圳大学材料学院杨楚罗教授、曹啸松教授和武汉大学钟成副教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础委员会、广东省教育厅、深圳市科技创新局、深圳大学及深圳信息职业技术大学等资助。

杨楚罗教授课题组长期招聘有志于OLED材料与器件研究的博士后和科研人员，提供国际一流的OLED研究平台。课题组主页：http://www.szuyclgroup.cn/。