许辉教授课题组提出了构建非掺杂高效红光TADF分子的四个必要条件:(1)合理的分子堆积及分子间相互作用以兼顾传输电荷和抑制猝灭;(2)辐射过程具有绝对优势,以获得高的发光效率;(3)RISC效率接近100%,以获得延迟荧光的热力学优势;(4)快速的电荷复合和激子辐射以避免激子累积导致的猝灭。因此,红光TADF分子应具有合适的构型和聚集行为,以及优异的光电性质。据此,他们将三苯胺(Triphenylamine, TPA)给体修饰在平面大共轭受体二吡啶并吩嗪(Dipyridophenazine, DPPZ)的两侧,构建了“T形”TADF分子pTPA-DPPZ。这一对称的“T形”构型诱导pTPA-DPPZ分子在聚集态下的有序排列。由于TPA基团的位阻,相邻DPPZ基团间的距离被控制在3.8 Å,在分子间形成了恰到好处的弱π-π相互作用。一方面,形成了载流子传输通道,显著提升了载流子的传输能力;另一方面,避免了过强的分子间相互作用导致的浓度猝灭。
合理的给受体空间排布将pTPA-DPPZ的辐射跃迁速率提高了90倍,RISC效率接近100%;同时,非辐射跃迁过程得到了有效地抑制。因此,纯pTPA-DPPZ薄膜的光致发光量子产率高达87%。基于简单的双层非掺杂结构,pTPA-DPPZ的器件呈现高色纯度深红光发射,CIE色坐标为(0.67, 0.33);实现了高达12.3%的最大EQE,是目前文献报道的非掺杂红光TADF器件的最高值;在亮度为1000 cd m-2时,EQE仍保持在10.4%,甚至高于掺杂器件。简单且高效的分子和器件结构使其有望实际应用于显示、光通信及生物光电子学等领域。相关工作发表在Adv. Mater. 2020, 32,1906950.
图 pTPA-DPPZ的结构(a)、单晶堆积图(b)及双层非掺杂OLED性能(c,d)。