憑借輕巧、靈活和自發光等優點，有機發光二極管（OLED）被廣泛認為是主流的第三代顯示技術。而有機電致發光材料是OLED的最關鍵組分之一。最近，能夠通過高能級通道迅速發生逆系統間躍遷（RISC）過程的“熱激子”材料在OLED界引起了密集關注。有趣的是，通過熱激子路徑可以獲得理論上的100%內部量子效率（IQE）和低滾降速率。然而，紅色熱激子材料在聚集態和團簇態下仍不可避免地遭受聚集引起的淬滅（ACQ），導致相對較低的光致發光量子產率（PLQYs），并且迄今為止缺乏明確的分子設計策略來提高PLQYs。另一方面，聚集誘導發光（AIE）是一個引人注目的光物理現象。然而，由于缺乏有效的三重激子利用策略，大多數基于AIE的OLEDs效率仍然較低。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義研究員和李偉副研究員以及華南理工大學蘇仕健教授等提出了一種新穎的分子設計策略，成功地將熱激子機制和AIE特性融合到單個分子中。在新開發的分子T-IPD和DT-IPD中（圖1），通過調節受體單元的共軛長度，單重激發（S1）態的能量顯著提高至第二三重激發（T2）態，從而極大增強了高能態的逆系間竄越過程（hRISC）（圖2）。通過引入TPA和DP-TPA給體基團，T-IPD和DT-IPD可以形成剛性和扭曲的三維幾何結構，具有適當的二面角，有效抑制了分子間π-π堆積和分子內運動，使其在固體或聚集態下呈現強烈的發光。同時，它們的AIE特性可以通過在聚集態下形成J-聚集體結構進一步增強。由于熱激子機制和AIE特性，研究人員獲得了最高12.2%的外量子效率，這是基于熱激子機制和AIE特性的深紅色OLEDs中性能最高的（圖3）。
為了進一步闡明通過hRISC過程和三重-三重湮滅（TTA）部分在電致發光器件中的熱激子松弛過程，研究人員使用100微秒的電脈沖寬度對基于T-IPD和DP-IPD的非摻雜器件進行了瞬態電致發光（TREL）測量。引人注目的是，TREL衰減呈現出兩個明顯的成分：快速EL衰減和延遲EL衰減。在電壓脈沖停止后，快速EL衰減源于幾納秒內的單激子發射，而延遲EL衰減則是長壽命三重子激子參與發射過程的結果。然而，實驗結果表明，在HLCT系統中，hRISC過程在幾納秒內迅速發生，導致快速EL衰減而非延遲EL衰減。
此外，研究人員觀察到延遲EL衰減（Idelayed）很好地符合TTA模型，這是由于T-IPD和DP-IPD的低T1能級所致，遵循雙分子上轉換發射公式：
基于T-IPD和DP-IPD的非摻雜OLEDs的延遲衰減成分的比例僅為4.0%和5.6%，表明TTA上轉換受限，主要是由于低T1激子密度。這種延遲衰減成分的低比例不足以解釋其顯著的高效率，進一步驗證了T-IPD和DP-IPD的熱激子機制。
該結果以“Hot Exciton Mechanism and AIE Effect Boost the Performance of Deep-Red Emitters in Non-doped OLEDs”為題發表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202303304）。寧波材料所2020級合培生杜松雨、2023級碩士畢業生羅明和華南理工大學李德利博士為共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員、李偉副研究員，華南理工大學蘇仕健教授為共同通訊作者。該研究得到了國家杰出青年基金（21925506）、國家自然科學基金（U21A20331、51773212、81903743、52003088）、寧波市重點科技項目（2022Z124、2022Z119）等的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202303304。
圖1 新開發材料開發的分子T-IPD和DT-IPD的化學結構及前線軌道和自然躍遷軌道分布示意圖
圖2 能級調控示意圖
圖3 高效的三重態激子利用器件
（來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所）
