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聚集诱导延迟荧光材料及其有机光电器件

温飞 ,  罗文钰 ,  马晓迅 ,  刘珊珊 ,  焦林郁

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (11) :1604-1621

PDF (1701KB)
化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (11) :1604-1621 DOI: 10.7536/PC20250514
综述与评论
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聚集诱导延迟荧光材料及其有机光电器件

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Advances in Aggregation-Induced Delayed Fluorescent Materials and Their Organic Optoelectronic Devices

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摘要

热激活延迟荧光(TADF)材料凭借无需贵金属即可实现单重态与三重态激子高效利用的显著优势,已进入蓬勃发展的新阶段。然而,目前传统的TADF材料普遍存在聚集诱导猝灭(ACQ)现象,严重限制了其发展和应用。相比之下,聚集诱导延迟荧光(AIDF)材料具有独特的聚集诱导荧光增强现象,从而在有机电致发光领域备受关注。在本综述中,我们对有机发光二极管(OLED)领域相关的AIDF分子进行了总结,重点综述了2021年以来的AIDF分子设计及其在非掺杂OLED领域的研究和应用进展,通过基于分子结构的分类依据,分别从二苯甲酮、三嗪、喹喔啉以及其他受体等方面进行分析和讨论,对所述化合物进行结构拆解和性质汇总,深入探讨其结构与性能之间的构效关系,并对该领域的发展做出展望。

Abstract

Thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials have entered a new stage of vigorous development with the significant advantage of efficient utilization of single and triplet excitons without the need for precious metals. However, the aggregation-induced burst (ACQ) phenomenon is prevalent in conventional TADF materials, which severely limits their development and application. In contrast, aggregation-induced delayed fluorescence (AIDF) materials have a unique aggregation-induced fluorescence enhancement phenomenon, thus attracting much attention in the field of organic electroluminescence. In this review, we summarize the relevant AIDF molecules in the field of organic light-emitting diode (OLED), focusing on the molecular design of AIDFs and their research and application progress in the field of non-doped OLEDs since 2021, and analyze and discuss the mentioned AIDF molecules by classifying them based on the basis of their molecular structures, respectively, in terms of benzophenones, triazines, quinoxalines, and other receptors. Compounds are structurally disassembled and properties are summarized, the conformational relationships between their structures and properties are deeply explored, and the outlook for the development of this field is made.

Contents

1 Introduction

2 Benzophenone and its derivatives

3 Diphenyl sulfone and its derivatives

4 Triazine and its derivatives

5 Quinoxaline and its derivatives

6 Other receptors

7 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

聚集诱导发射 / 热激活延迟荧光 / 有机发光二极管 / 供体 / 受体

Key words

aggregation-induced emission / thermally activated delayed fluorescence / organic light-emitting diode / donor / acceptor

引用本文

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温飞, 罗文钰, 马晓迅, 刘珊珊, 焦林郁. 聚集诱导延迟荧光材料及其有机光电器件[J]. 化学进展, 2025, 37(11): 1604-1621 DOI:10.7536/PC20250514
Fei Wen, Wen-Yu Luo, Xiaoxun Ma, Shanshan Liu, Lin-Yu Jiao. Advances in Aggregation-Induced Delayed Fluorescent Materials and Their Organic Optoelectronic Devices[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(11): 1604-1621 DOI:10.7536/PC20250514

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1 引言

基于有机半导体材料的有机电致发光器件(Organic light-emitting diodes,OLEDs)具有柔性好、重量轻、响应速度快、亮度高、视角宽、颜色质量好、成本低等优点,受到了学术界和工业界的广泛关注[1-3]。自1987年柯达公司邓青云等[4]报道了双层结构的荧光OLED的开创性工作以来,相关研究开始高速推进。经过多年的努力,有机电致发光材料已经实现了从第一代传统荧光材料、第二代基于金属配合物的有机电致磷光发光材料,到第三代最有应用前景的热激活延迟荧光(Thermally activated delayed fluorescence,TADF)材料的更新迭代,更加高效、更低成本、色彩更鲜艳的新型OLED材料成为行业热点。

根据自旋统计[5],在电激发状态下,有机分子处于单重态激发态与三重态的比例为1∶3。在纯有机体系,单重态激子到基态的辐射跃迁为荧光过程,磷光则是三重态激子到基态的非辐射跃迁。由于自旋跃迁禁阻[6],传统荧光材料无法有效使用占比为75%的三重态激子。TADF材料则是通过特殊的分子结构缩小最低单重态(Lowest excited singlet state,S1)与最低三重态(Lowest excited triplet state,T1)间的能级差ΔEST(图1),让三重态激子反系间窜越(Reverse intersystem crossing,RISC)上转化为单态重激子,从而通过荧光辐射跃迁至基态产生延迟荧光(Delayed fluorescence,DF),理论上可以实现接近100%的内量子效率(Internal quantum efficiency,IQE)。

虽然第二代磷光材料采用贵金属在自旋轨道耦合作用(Spin orbit coupling,SOC)下加强了分子内系间窜越(Intersystem crossing,ISC),极大提高了激子利用率[7-8],理论上也能获得100%的IQE。然而贵金属的添加会导致成本增加以及环境问题,且磷光器件还面临严重的激子猝灭问题,器件稳定性也受到了很大制约[9-10]。自2012年Adachi等[11]在概念上突破性地将TADF材料用于OLED之后,该类材料已经成为有机电致发光领域炙手可热的焦点,推动着OLED领域的发展。

然而,TADF材料也存在显著缺陷。通常,有效的TADF材料应满足小的ΔEST以确保一个快速的RISC过程[12],而前沿分子轨道(Frontier molecular orbitals,FMOs)的有效分离是实现小ΔEST和实现高效RISC的关键[13-15]。根据费米黄金法则,小的ΔEST会导致低的振子强度(f),阻碍了有效的辐射衰变途径,从而获得较低的荧光量子产率(Photoluminescence quantum yield,PLQY)。其次,传统的TADF材料由于其本身的共轭结构,在聚集时会出现分子之间的π-π堆积而发生聚集诱导猝灭(Aggregation caused quenching,ACQ)[16-17],因此需要复杂手段和掺杂方法将材料分布到主体基质中[18-19],消除ACQ带来的不良影响。此外,掺杂器件在高亮度下存在激子湮灭效应,导致电致发光效率随电流增加而急剧降低[20]。所以,TADF材料在实际应用中受到极大的限制。

2001年,唐本忠等[21]提出聚集诱导发光(Aggregation induced emission,AIE)概念,有效解决了ACQ在实际应用中的不良影响。该课题组在2009年[22]系统地总结早期AIE现象提出分子内运动受限(Restriction of intramolecular motion,RIM)机理框架,并于2014年[23]在实验研究和理论计算的基础上,对RIM机制进行完善,揭示了RIM是AIE的核心驱动力。RIM机理认为,在稀溶液中分子内运动活跃,提供了一个非辐射跃迁通道以消耗激发态能量,导致荧光非常低或零发射。在分子形成聚集态时,因空间位阻以及分子间的相互作用,分子内运动受限,非辐射跃迁通道关闭,激发态分子以辐射跃迁的形式回到基态,从而发出强烈荧光。此外在某些情况下,E/Z异构化[24]、J聚集体形成[25]、扭曲分子内电荷转移(Twisted intramolecular charge transfer,TICT)[26]、激发态分子内质子转移(Excited-state intramolecular proton transfer,ESIPT)[27-28]等也有助于AIE效应。

将AIE机制引入TADF材料中,不仅能够解决TADF器件中浓度猝灭和激子湮灭效应带来的困扰,还可以运用非掺杂技术来降低器件制作成本,同时也能解决传统AIE分子电致发光效率低下的问题。自池振国课题组[29-30]发现聚集诱导延迟荧光(Aggregation-Induced Delayed Fluorescence,AIDF)以来,许多研究人员已经集中于将DF集成到AIE分子中以产生高性能的非掺杂OLED。

事实上,TADF分子与AIE分子存在相同之处:它们都具有高度扭曲的分子构型。AIDF分子的关键设计策略就是通过将HOMO和LUMO定位在单个分子中的不同部分上来最小化HOMO和LUMO之间的空间重叠,从而获得小的ΔEST,并通过RISC实现从T1到S1态的有效上转换[31]。随后,唐本忠课题组[32]进一步指出,AIDF现象的产生依赖内部转换(Intramolecular charge,IC)的抑制以及RISC的促进。其发光机理如图2所示,在稀溶液状态时,分子内的运动导致其激发态能量主要通过IC等非辐射跃迁通道散失,此时IC的速率(kIC)远远超过其自身的荧光辐射速率(kF),从而发光微弱。此外,系间窜越过程(Intersystem crossing,ISC)的速率(kISC)同样远远小于IC速率,难以形成有效的ISC通道,致使RISC通道同样被抑制,无法产生延迟荧光。而当AIDF分子处于固态时,由于空间位阻增大,分子内运动受限,导致IC的速率大大降低。此时kF与kIC接近,能够形成有效的辐射跃迁过程,发光较稀溶液状态下显著增强。同时,ISC与IC过程相互竞争,促使ISC、RISC过程的产生,从而形成延迟荧光[33]。

目前,AIDF分子的供体(Donor,D)主要为高三重态能级的芳胺类基团,例如:咔唑、吖啶、吩噻嗪(PTZ)及其衍生物等。而可供选择受体(Acceptor,A)远比供体广泛,如二苯甲酮、二苯砜、三嗪及其衍生物等。在前期AIDF材料归纳总结[34]的基础上,本文通过结构划分对近三年的AIDF分子进行简要介绍。

2 二苯甲酮及其衍生物

二苯甲酮(Benzophenone,BP)中心的羰基具有较强的吸电子能力,可以作为合成TADF的重要片段[35-36]。BP所含的苯环容易自由旋转,因此基于该片段构建的分子通常具有扭曲构象,在得到小的ΔEST的同时兼具AIE特性(表1)。

然而,BP的低刚性对于减少分子内运动和抑制激发态的非辐射衰减来说并不完美。2021年,王凯课题组[37]通过刚性蒽芴基团锁定BP苯环,并连接螺芴供体,合成了D-A型发光体1和2,在纯膜中的ΔEST分别为0.02和0.03 eV。两个分子在四氢呋喃(Tetrahydrofuran,THF)中发光微弱,随着水含量的增加表现出聚集诱导发光增强(Aggregation-induced enhanced emission,AIEE)。蒽芴基团的引入显著提升了分子结构刚性,同时增大空间位阻,有效减弱分子间相互作用,提高了激子利用率。此外,分子1中供体锁的存在使得其结构刚性更强,在纯膜中具有较高的PLQY。以ITO/TAPC(40 nm)/TCTA(10 nm)/mCP(10 nm,1除外)/1或2(20 nm)/TmPyPb(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)为结构制备非掺杂器件,二者的电致发光(Electroluminescent,EL)性能相当。其中基于2的器件EL性能最好,其最大电流效率(Maximum current efficiency,CE)、最大功率(Maximum power efficiency,PE)效率和最大外量子效率(External quantum efficiency,EQE)分别为54.1 cd·A-1、63.7 lm·W-1和22.8%,且在1000和5000 cd·m-2下几乎无效率衰减。结果表明,苯环空间位阻锁定可增强刚性、缓解浓度猝灭,显著改善材料性能。

同年,赵祖金课题组[38]则以氧杂蒽酮(XT)作为受体构建了D-A-D分子3、4。两个分子均表现出AIDF特性,在BP中引入氧桥并没有对FOMs的分离产生影响,其在固态纯膜下的ΔEST分别为0.025和0.024 eV。由于提高了分子结构的刚性,在纯膜中均具有优异的PLQY,分别高达96%和94%。以3为发射层(Emitting layer,EML)的非掺杂器件呈现出良好的EL性能,最大效率高达74 cd·A-1、67 lm·W-1和21%,短的激子寿命使得器件在1000 cd·m-2下几乎没有任何效率衰减。此外,它们可作为橙色和红色磷光OLED的主体材料,其器件同样具有优异的EL性能。

随后,该课题组[39]在上述基础上合成了分子5和6,探究杂原子的引入及供体取代数量对分子光电性能的影响。值得注意的是,Si原子的引入降低了供体给电子能力,使发射光谱蓝移,并且两个分子均出现了机械致荧光变色(Mechano-chromic luminescence,MCL)。此外,以6为EML的器件表现出了强的天蓝色EL发射,其EQE为13%。研究表明,该工作为制备具有MCL行为的蓝色TADF材料提供了一条新的途径。丁军桥课题组[40]采用螺环阻断策略,合成了分子7。其非掺杂器件显示出明亮的绿色EL发射,EQE为9.8%。尽管其器件存在较大的效率滚降,但表明前线分子轨道工程设计是构建用于非掺杂器件AIDF材料的有效途径。

2023年,赵祖金课题组[41]在分子3的基础上进一步设计并合成了分子8。通过在分子3外围引入叔丁基增加空间位阻并减弱分子极性。8在纯膜中具有高达85.4%的PLQY和短的延迟寿命。以8为EML的器件均表现出优异的EL性能,其在掺杂和非掺杂OLED中的最大EQE分别高达29.3%和26.7%。值得关注的是,8作为MR-TADF材料在强荧光(Hyperfluorescence,HF)-OLED的敏化剂主体时,该器件具有改善的色纯度并拥有当时最先进的EQE(34.4%)、PE(166.3 lm·W-1)。探索用于OLED具有超过30%的EQE的高效TADF材料仍然具有挑战性,随后,该题组[42]以XT作为受体合成了分子9~11。其中基于9的掺杂OLED具有当时最先进的绿色EL性能,其EQE高达35.0%。此外,基于9的超荧光OLED获得33.8%的EQE并具有低效率滚降。

2024年,该课题组[43]为实现有机分子强固态光致发光与快速电荷输运的结合,开发了分子12、13。刚性平面受体与大位阻供体,抑制了分子间堆积,使得两个分子在溶液和纯膜中均具有优秀的PLQY,在掺杂膜中的PLQY更是高达99%。分子中羰基的n-π*跃迁增强了自旋轨道耦合(Spin-orbit coupling,SOC),促进了RISC与DF。平面延伸骨架促进分子间作用,使其兼具AIEE特性与电荷传输能力。以两个材料作为EML制备非掺杂厚层OLED,结构为ITO/MoO3(6 nm)/mCBP(10 nm)/EML(100 nm)/SF3TRZ(10 nm)/Liq(2 nm)/Al,其器件均表现出良好的EL性能,是迄今为止报道的效率最高的非掺杂蓝光厚层OLED。值得一提的是,基于两个材料的掺杂器件EQE均高达40.6%。随后,池振国课题组[44]构建了系列以XT为受体的分子14~16。其中,基于16的掺杂器件获得优秀的天蓝色EL发射,其EQE为29.9%。

以上文献证明了在BP结构中引入受体锁提升受体结构刚性,是优化AIDF材料光电性能的有效策略。2022年,为探究卤素原子的位置对发光分子的光物理性质的影响,赵祖金课题组[45]合成了一系列具有AIDF特性的分子17~22。在分子结构中引入卤素原子能够增强SOC,有利于产生DF,因此这些分子都具有较小的ΔEST和短延迟寿命。卤素原子不同位置对辐射跃迁的影响也不同,这些分子在纯膜中的PLQY有显著差异。非掺杂器件结构为ITO/HATCN(5 nm)/TAPC(30 nm)/TcTa(5 nm)/EML(20 nm)/TmPyPB(40 nm)/LiF(1 nm)/Al,其中以17为EML的器件获得优秀的天蓝色EL发射,最大效率为63.3 cd·A-1、82.6 lm·W-1和19.5%。这些结果揭示了分子结构中卤素原子位置与发光性能之间的构效关系,为高效有机发光材料的分子设计提供了指导。

2023年,王金山课题组[46]采用异源供体策略构建了D-A-D′分子23、24。两个材料的非掺杂器件均具有优异的EL性能,以23为最佳,其最大EQE为22.9%。同时制备的单发光层白光有机发光二极管(WOLED)也具有优秀的EL性能。随后,该课题组[47]基于D-π-A-π-D分子设计策略进一步合成了分子25、26。以26为EML的非掺杂OLED获得19.3%的EQE,其掺杂器件也具有良好的EL性能。

3 二苯砜及其衍生物

与BP相比,二苯砜(DPS)具有较大的扭转角,使得其更容易形成AIE发射体。DPS基团因其具有四面体的几何构型,将不同给体连接上苯环,形成的给受体间的扭转角将更大,在一定程度上阻断了两端的π-π共轭,抑制了激子猝灭,且基团中的氧原子赋予了较强的吸电子,因此成为构建AIE-TADF材料的常见受体单元(表2)。

2021年,王磊等[48]以DPS为核心单元,通过调节单侧的供体(D′)基团,合成了两个不对称D-A-D′型的AIDF分子27、28。将DPS上的苯基整合到了苯基咔唑中,不仅增大了分子结构的扭曲程度,而且减小了共轭长度,其中前者促使了最高占据分子轨道(Highest occupied molecular orbital,HOMO)和最低未占据分子轨道(Lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)的有效分离,进而获得了小的ΔEST。分子28的DMAC单元上的甲基抑制分子之间的相互作用,使得其PLQY较27提升了25%。以27为EML的非掺杂器件表现出最佳EL性能,CE、PE和EQE分别为52.6 cd·A-1、63.5 lm·W-1和17.9%。值得注意的是,虽然28拥有更高的PLQY,但27具有更短的延迟寿命、较高的RISC速率和AIEE,致使27的EL性能显著优于28。随后,施和平课题组[49]在上述工作基础上构建了分子29。在纯膜中,其PLQY值与28相比显著提升至82%,可能是供体取代数量造成的。基于29的非掺杂器件获得了比27更好的EL性能和更低的效率滚降,其EQE为20.3%。研究表明,不对称D-A-D′分子中供体基团的合理修饰,可以调节TADF和AIE性能,进而优化材料的电致发光性能。2023年,该课题组[50]以DPS为受体,进一步设计并合成分子30,其非掺杂器件EQE为10.05%。

长激子寿命引发的激子湮灭是制约器件效率提升的关键因素,杨楚罗课题组[51]制备了具有短激子寿命的分子31和32。由于硫原子的重原子效应,两个分子都表现出高度扭曲的分子构象,从而产生很小的ΔEST值、很短的延迟寿命(3.2 μs)。通过真空沉积以ITO(50 nm)/HATCN(5 nm)/TAPC(30 nm)/mCBP(10 nm)/31或32(10 wt%)∶mCBP(20 nm)/POT2T(10 nm)/ANT-BIZ(40 nm)/Liq(1.5 nm)/Al(100 nm)为结构制备掺杂器件,其中基于32的器件呈绿色发射,最大CE、PE和EQE分别32.2 cd·A-1、35.4 lm·W-1和11.7%。尽管基于31的器件EL性能与其相当,但存在严重的效率滚降。

在结构中引入受体锁已被证明是一种改善发光材料光电性能的方法,王金山课题组[52]基于分子工程策略,将不同长度的短共轭结构单元作为受体,与刚性咔唑类化合物相连,设计了33和34。与后者相比,受体锁的引入赋予了前者分子独特的AIE和TADF双重性质。尽管33的AIE性质并不明显,但其纯膜下的PLQY值较纯THF溶液具有显著提高。器件结构为ITO/TAPC(40 nm)/TCTA(20 nm)/33或34(40 nm)/TmPyPB(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm),其中基于33的器件获得了更好EL性能,最大CE、PE和EQE分别为15.9 cd·A-1、13.2 lm·W-1和7.1%,同时,该结构的掺杂器件是当时最先进的深蓝色发光材料之一。该研究证实了受体锁对二苯砜基团光电性能的巨大提升作用。2024年,该课题组[53]进一步合成了两种分子35和36,其中以35为EML的非掺杂OLED器件为解决小ΔEST和大PLQY之间的平衡,进而实现高EL性能,提供了一个可行的方案。

4 三嗪及其衍生物

二苯砜本身四面体的构型利于扭曲构象的形成,并且能够与苯环连接时产生较大的扭转二面角,以获得较低的ΔEST值,但也限制了其在HOMO、LUMO上进一步分离。三嗪则具有三个潜在修饰位点且具有高缺电子的特性,因而也被用作TADF受体单元。此类分子的设计多采用均三嗪(1,3,5-Triazine,TRZ)及其衍生物作受体和芳胺构建TADF分子(表3)。

2022年,王凯课题组[54]设计了一种9,9-二甲基-10-苯基-9,10-二氢吖啶(PDMAC)功能化螺芴结构,通过与TRZ衍生物相连构建了通过空间电荷转移(Through-space charge transfer,TSCT)型材料37。分子中的TSCT增强了电荷转移(Charge transfer,CT)过程,促使HOMO和LUMO分离进而减小ΔEST(0.034 eV)。此外,该分子兼具PDMAC和螺芴官能团的优点,具有较强的分子刚性、较大的空间位阻以及多刺激响应(Multi stimuli responsive,MSR)。由于37的对称性破缺和较强的分子刚性,抑制了固态下的分子内运动,从而产生AIEE。在掺杂膜中,37的PLQY达到了90%,延迟寿命为4.17 μs。掺杂器件结构为ITO/HAT-CN(10 nm)/TAPC(40 nm)/TCTA(10 nm)/mCBP(8 nm)/EML(20 nm)/PPF(8 nm)/TmPyPB(40 nm)/Liq(3 nm)/Al(60 nm),其中器件掺杂比为30 wt%时获得最佳EL性能,分别为60 cd·A-1、35.5 lm·W-1和28.4%的EQE,并且是当时基于TSCT策略的最有效的圆偏振(Circularly polarized,CP)-TADF-OLED。

通过提高发射器的水平偶极比,进而改善反射率已被证实是构建高效OLED的有效策略。同年,汪莎莎课题组[55]通过水平取向的设计方法,合成了对照分子38以及芳基甲基化的分子39、40。尽管三个分子的ΔEST比较小,但其均具有平面化构型,使得掺杂膜状态下都有优异的PLQY,其中40高达97%。39和40分子具有比38更高的水平取向偶极比,使得基于两个分子的器件EL性能显著提高。以ITO/MoO3(2 nm)/TAPC(30 nm)/mCP(10 nm)/38、39和40:DPEPO(25 nm)/TmPyPB(45 nm)/LiF(0.7 nm)/Al(120 nm)为结构制备掺杂器件,其中40的器件在掺杂比为30 wt%时获得最佳EL性能时,并且是当时效率最高的绿色TADF-OLED,其最大CE、PE和EQE分别高达116.6 cd·A-1、124.5 lm·W-1和37%。

随后,池振国课题组[56]通过延长螺环受体的策略,合成了AIDF分子41和42,期望获得更高水平偶极比。由于大螺环给体的引入,分子结构空间位阻增大引起的松散的晶体堆积模式,使其拥有MCL性质。此外,特殊的螺环结构赋予了分子AIE特性。两个分子在掺杂膜中的PLQY分别为99%和91%,延迟寿命分别为1.26和2.13 μs。以41为EML的非掺杂器件获得了最好EL性能,其EQE为22.1%。此外,基于41的掺杂OLED更是得到了37%的EQE。结果表明,较大螺环供体非共轭延伸策略可以在促进分子水平偶极取向的前提下确保分子发射不红移。2024年,Lee等[57]通过对供体修饰合成了分子43和44。环烷基的存在显著地抑制了膜状态下分子间运动,因此在纯膜中都具有优异的PLQY,高达99.3%。其非掺杂器件的EQE均在5%以下。与基于23和24的蓝色AIDF-OLED的EL性能相去甚远,这可能是电荷不平衡和低激子利用效率所导致的。

随后,唐建新课题组[58]通过将大体积的中性基团引入TSCT核心,构建了分子45和46。大基团的引入抑制了分子在膜中的聚集,使其具有良好的PLQY。作者认为,间三联苯与四苯基硅相比刚性增加,因此45的器件实现了比46更小的效率滚降。以ITO/HAT-CN(10 nm)/TAPC(40 nm)/TCTA(10 nm)/EML(30 nm)/TmPyPb(45 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)为结构制备非掺杂器件,其中45的器件EL性能最好且具有极低效率滚降,同时该器件实现了创纪录的EQE,其值为21.4%。此外,基于45的掺杂器件同样表现出优秀的EL性能,其最大EQE为30.8%。研究表明,刚性大体积屏蔽基团是开发高效非掺杂TSCT-AIDF发射体的有效途径。

上述的AIDF器件大多数属于真空蒸镀,利用溶液加工的OLED少之又少。2023年,谢国华课题组[59]通过利用位置异构的方法设计并合成了三个螺旋桨型AIDF分子47~49。47和48分子内具有较强的TSCT,HOMO和LUMO的分离使得其ΔEST显著降低。在这三种AIE特性分子中,只有48表现出良好的PLQY值(57%)。通过溶液处理,以48为EML的非掺杂器件获得了20.3的EQE,是当时最高的TSCT-TADF发射体。可惜的是,该器件具有很大的效率滚降,但不失为一种构建TSCT-AIDF分子的有效策略。随后,Marli等[60]合成了螺旋桨型发射体50~52。作者认为可能是几何结构的振动和旋转受到聚集的限制,使52并没有AIE。其中基于50的掺杂器件获得了12.4%的EQE。尽管制备的器件EL性能并不惊艳,但足以证明以TRZ稠环化合物为受体构建的发光材料在可溶液加工AIDF-OLED领域中有巨大潜力。

5 喹喔啉及其衍生物

喹喔啉因其具有较强的吸电子能力和优良的平面性,因此其在进行修饰过后常作为大平面共轭和刚性分子的受体核心。此外,该类分子往往具有较长的共轭结构,其多用于红色和橙色发射的调控(表4)。

2023年,施和平课题组[61]以喹喔啉衍生物为受体,设计了分子53和54,较大的空间位阻产生了较小的ΔEST,受体的刚性和大平面共轭结构,使得分子具有优良的发光效率。可惜的是,其中基于54的非掺杂红光器件仅获得6%的EQE。而以两个分子为发射体制备了掺杂红光OLED,其EQE分别为10.5%和19%。同年,王凯课题组[62]以喹喔啉衍生物为受体,构建了分子55和56。掺杂膜中,两个分子的PLQY分别高达87%和99%。然而分子却存在极长的延迟寿命,预示了其器件存在严重的效率滚降。其中56以掺杂比5 wt%的器件获得了36.2%的EQE。值得一提的是,该器件的EQE是当时深红色(DR)/NIR区域所TADF-OLED中的最佳结果。随后,该课题组[63]设计合成了D-π-A型材料57和58,以探究不同π桥对材料光电性质的影响。58利用螺芴桥的高刚性和大位阻特性,有效地抑制了单分子水平的能量损失,并减轻了发色团间的猝灭,在掺杂膜中获得了高达100%的PLQY。其中,基于58的掺杂器件获得了优秀的EL性能,其EQE是已知的红色TADF-OLED中的最佳结果。因此,合理构建桥键是开发高性能红色TADF-OLED的有效策略之一。

同年,Kim等[64]采用分子内氢键诱导构象锁定的策略,以喹喔啉为受体合成了分子59~61。由于61分子结构内存在构象锁定,其结构刚性相较于59和60有所提高,使得其在纯膜中PLQY值高达93.6%。此外,分子内的构象锁定使得61具有室温磷光(Room-temperature phosphorescence,RTP)。以61为EML的非掺杂器件得到了11.1%的EQE。2024年,Yadav等[65]则以稠合喹喔啉和两个游离的吡啶构建新的受体,合成了分子62~64。其中,64兼具AIE和TADF特性。分子中苯桥键与喹喔啉衍生物存在分子内氢键,提高了分子结构的刚性,进而提高分子的发光效率。基于64的黄光掺杂OLED的EQE达到了20.1%,其最大CE和PE分别为54.7 cd·A-1、54.6 lm·W-1。

同样是在分子结构中引入分子内氢键,王凯课题组[66]以氰基修饰的喹喔啉为受体,设计并合成了分子65。于分子内含有一个大体积的螺环单元,具有明显的空间位阻效应,使其表现出良好的抗猝灭性能和明显的AIE特征。同时得益于分子间相互作用力,分子结构可以通过锁定分子构象和限制振动和旋转弛豫而刚性化,从而抑制非辐射路径并促进高PLQY,值得注意的是其PLQY值在掺杂膜中接近100%。以65为发射层的非掺杂OLED具有优秀的红光EL发射,其最大CE、PE和EQE分别2.94 cd·A-1、2.88 lm·W-1和13.6%。此外,在680和780 nm之间的发射范围内,其非掺杂器件的EQE是当时所有非掺杂TADF-OLED的最佳结果之一。基于65的掺杂器件同样具有优秀的EL性能,其最大EQE为30.7%。2025年,Gupta等[67]使用吡嗪并喹喔啉作受体设计了分子66~68。尽管三个分子都具有AIE性质且受体具有强平面性,但其在固态下的PLQY并不理想,可预见较差的器件效果。其中EL性能最好的非掺杂器件的EQE也仅为0.8%。

6 其他受体

除了上述四种常见的受体外,研究人员还相继发现一些较为新颖的受体。其中,比较典型的受体分子有基于吡嗪的衍生物,基于苯乙腈的衍生物,邻碳硼烷等(表5)。

2022年,Congrave等[68]以吡嗪衍生物为受体,合成了分子69。该分子通过溶液处理的掺杂器件EL性能并不理想,其最佳EQE仅为2.1%。值得强调的是,69是首例具有稠合多环芳香族电子受体的可溶液加工近红外(NIR)-TADF材料。随后,Silva等[69]使用苊并吡啶[2,3-b]吡嗪作为受体,构建了一系列不同供体取代的AIE分子70~77。其中70~73表现为TADF特性,其余分子表现为RTP。利用溶液加工的方法制备了掺杂器件,其中基于73的器件得到了15.3%的EQE。

王强课题组[70]使用联苯基衍生物为受体,设计了多供体取代的分子78~80。紧密的多供体取代是分子结构刚性增加,使其在纯膜中具有优秀的PLQY,其中79高达100%。通过溶液处理的器件结构为ITO/PEDOT:PSS(40 nm)/EML(30 nm)/BPhen(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm),在非掺杂器件中,三个分子都有优异的EL性能,其中以79为发射层的器件的EQE为16.3%。相同结构下,基于79的器件获得了17.2%的EQE。2023年,蒋伟课题组[71]设计了系列含苯乙腈的分子81~83。其中通过溶液处理的掺杂器件的EL性能以82最优,其EQE为22.04%。随后,为进一步探索可溶液加工的OLED,该课题组[72]以苯乙腈为受体合成了分子84。分子中引入三苯胺作为空间位阻基团,使得分子具有良好的溶解性。以其为EML的非掺杂器件得到了12.8%的EQE。

Kim等[73]构建了以氧桥硼核为受体核心的超深蓝AIDF分子85和86,其ΔEST分别为0.227和0.169 eV。在纯膜中,其PLQY分别为41.4%和51.9%。二者均具有短的延迟寿命,分别为1.49和1.06 μs。得益于来自供体的大空间位阻,聚集态下π-π相互作用和分子间作用被抑制,从而产生AIE。通过溶液处理的器件结构为ITO/PEDOT:PSS(40 nm)/PVK(20 nm)/EML/TPBi(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm),其中基于86的非掺杂OLED获得超深蓝EL发射,其EQE为15.8%。值得注意的是,该器件是当时溶液处理的最佳器件之一。在同样结构下,其掺杂器件EQE略低于非掺杂器件。尽管基于43和44的器件效果并不理想,但突出了在分子体系中引入官能化的环烷基是有效提高发光效率的策略。随后,Devulapally等[74]在氧桥硼核中引入环烷基合成了分子87和88。更加紧凑的分子结构赋予了88更好的发光效率,在纯膜中其PLQY值较87提升了38%。两个分子的掺杂器件均表现出了良好的EL性能,其中基于88的掺杂OLED获得了高达21.1% EQE。可惜的是,基于两个分子的非掺杂器件出现了与43和44相同的情况,其EQE均低于5%。

2023年,唐建新课题组[75]构建具有多重共振(Multiple resonance,MR)特性的TADF分子89,其ΔEST为0.025 eV。该分子采用的多维大体积屏蔽效应不仅极大地限制了ACQ,而且提高了分子溶解性。在纯膜中,其PLQY为42%,在掺杂膜中更是高达95%。此外,大体积屏蔽效应限制了分子间相互作用和光谱展宽,使得基于89的掺杂器件均得到窄的半峰全宽(FWHM)。通过溶液处理器件结构为ITO/PEDOT:PSS(40 nm)/PVK(15 nm)/EML(30 nm)/DPEPO(10 nm/TmPyPb(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm),其中非掺杂器件获得了12.3%的EQE,其掺杂器件更是获得了23.3%的EQE。

早在2019年,苏忠民课题组[76]就报道了邻碳硼烷对构建AIE分子具有有利的影响。随后,Lee等[77]在基于B-N的MR-TADF核心作为发光骨架外围连接邻碳硼烷,合成了分子90、91和不经修饰的92分子。三个分子在甲苯溶液中都得到窄的FWHM,邻碳硼烷的引入使90和91都获得了AIE,作者认为是邻碳硼烷旋转受限导致的结果。以ITO(70 nm)/MoO3(1 nm)/TAPC(30 nm)/TCTA(10 nm)/SiCzCz(10 nm)/SiCzCz:SiTrzCz2:90(70∶30:x wt%,25 nm)/SiTrzCz2(5 nm)/TmPyPB(40 nm)/LiF(1 nm)Al(130 nm)为结构制备掺杂器件,该器件表现出了优秀的蓝光EL性能,最大CE、PE和EQE分别26.8 cd·A-1、31.1 lm·W-1和25%。值得注意的是,该器件的EQE值是当时邻碳硼烷基分子作发射体的最高效率。

2024年,班鑫鑫课题组[78]利用柔性分支工程法设计了一系列基于C=O/N共振核(QAO)的MR-TADF树枝状大分子93~96。烷基链交替连接的功能树枝状大分子不仅保证了窄带深蓝色发光,而且使分子同时具有AIEE和良好的溶解性。大体积的外围枝晶使材料具有抗严重猝灭的能力,使分子在纯膜中PLQY值随着外围晶枝的长度增加而增加。以ITO/PEDOT:PSS(35 nm)/EML(80 nm)/TPBi(40 nm)/Cs2CO3(1 nm)/Al(100 nm)为结构制备溶液处理的掺杂器件,其中基于95的器件获得了13.5%的EQE,EL性能为17 cd·A-1和11.8 lm·W-1。此外,基于95的敏化剂白光OLED实现了18.9的EQE。值得强调的是,这是首次使用MR-TADF构建白色OLED。

分子内锁策略的发展是设计高效TADF分子的有吸引力的方法,宾正杨课题组[79]提出中环锁定策略构建了分子97、98和对照分子99,以期提高器件的效率。将缺电子的七边形二酰亚胺锁安装到高度可旋转的基于联苯的发光体上,增强了受体的吸电子能力,使得97和98获得了远小于99的ΔEST,其分别为0.07、0.15 eV。此外,赋予骨架适度的刚性和柔性,从而增加了97和98在纯膜中的PLQY。非掺杂器件结构为ITO/TAPC(30 nm)/TCTA(10 nm)/EML(20 nm)/TmPyPb(60 nm)/LiF/Al,其中基于97的器件获得了最好EL性能,最大效率为85.4 cd·A-1、76.6 lm·W-1和26.2%的EQE。此外,基于97的掺杂器件获得了25.8的EQE。

杨楚罗课题组[80]设计并合成了一系列喹啉衍生物受体,连接DMAC供体构建了分子100~102其都具有TADF、AIE、多晶型和MCL性质。三个分子的高度扭曲结构赋予它们有效的TADF和AIE,其在掺杂膜中的ΔEST值接近0.10 eV。此外,99还表现出高对比度的三色MCL行为。掺杂器件结构为ITO/HAT-CN(5 nm)/TAPC(30 nm)/TCTA(15 nm)/mCBP(10 nm)/2,6-DCZPPy:发射体(15 nm)/POT2T)(20 nm)/ANT-BIZ(30 nm)/Liq(2 nm)/Al,其中基于99的掺杂OLED获得最好EL性能,分别为47.7 cd·A-1、42.9 lm·W-1和14.6%的EQE。随后,陈文铖课题组[81]以喹啉衍生物为受体设计并合成了分子103,其掺杂器件获得了11.8%的EQE。

2022年,杨楚罗课题组[82]基于分子工程策略,以吡啶衍生物为受体,吖啶衍生物为供体设计并合成了分子104~106。纯膜中,105和106的PLQY分别高达89%和92%。而104显示出52%低得多的PLQY,作者指出这可能是其低的共轭度导致的。此外,105和106具有比104更高的水平取向,104低的PLQY和水平取向预示了其非掺杂器件EQE远低于另外两个分子的器件。其中,以106为EML的非掺杂OLED具有29.6%的创纪录EQE,器件结构为ITO/TAPC(30 nm)/mCP(10 nm)/EML(30 nm)/DPEPO(10 nm)/TmPyPB(20 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)。此外,基于105和106的掺杂器件均获得了优异的EL性能,其EQE分别为33.3%和36.2%。值得注意的是,该工作首次证明了“轴向和赤道咔唑基扩展”的方法是设计适用于非掺杂OLED的高性能TADF材料的有效方法。

7 结论与展望

本文重点综述了自2021年以来的AIDF分子设计及其在非掺杂OLED领域的应用最新进展。虽然AIDF分子中含有的受体基团不尽相同,但是研究人员已经探索出如构建不对称结构D-A-D′、引入分子内氢键、引入分子内锁(中环锁定,供体锁和受体锁)以及将主体部分整合到发光体(MR发光体以及其他发光体)等多种策略,实现了发光体光物理性能和器件性能的全面提升。然而,尽管如此,AIE-TADF发光体的通用设计规则和逻辑的构建仍然具有一定的难度。

研究表明,具有潜力的AIDF材料在纯膜中应具有较高的PLQY和较短的延迟寿命。然而并不是具备良好的光物理性质就一定能转化为高性能的非掺杂有机发光二极管[83],例如分子43和44,其非掺杂器件EQE均不足5%。尽管如此,AIDF发光体在非掺杂OLED抗效率滚降方面取得了不错的成绩。我们发现,经过多年的发展AIDF材料在深红光上得到了优秀的成绩(如分子56,EQE 36.2%),然而在深蓝光上仍难以实现高效电致发光,这需要设计开发新型的能级适配的电子供体和受体单元、合理的给受体连接方式以及精准的位点调控。

AIDF材料同样存在与传统TADF材料相同固态光致发光光谱展宽的问题,使其难以具备良好的色纯度。针对这一问题,可结合MR性质有效解决,不过具有AIEE性质的MR合物也具有ACQ效应,其必须掺杂在合适的主体中以实现高PLQY和器件效率[84]。同样,提高AIDF材料的发光效率也是关键目标。通过深入研究分子结构与发光性能的构效关系,结合量子化学利用理论计算辅助材料设计[85],精确筛选和优化分子结构,进而有望开发出性能更卓越的AIDF材料。同时,开发高效的可溶加工AIDF材料亦是降低制作器件工艺成本的重要任务。此外,提高AIDF分子水平取向偶极矩,进而提升其光输出耦合系数也是实现非掺杂器件EQE突破理论极限的关键所在。

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