科學(xué)家闡明多共振型發(fā)光材料ΔES1T1起源，推動(dòng)OLED材料國(guó)產(chǎn)替代

當(dāng)前顯示技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是超高清顯示，高分辨率（即 4K/8K 分辨率）、廣色域（即 BT.2020 色域）是兩個(gè)最重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED，Organic Light-Emitting Diode）技術(shù)而言，其瓶頸問題在于發(fā)展兼具高效和高色純度的三基色發(fā)光材料。

近十余年來，OLED 發(fā)展的一個(gè)重要突破是熱激活延遲熒光（TADF，Thermally Activated Delayed Fluorescence）材料的應(yīng)用，這類材料的一個(gè)主要特征是具有較小的單重態(tài)-三重態(tài)能隙（ΔES1T1），因而三重態(tài)可以通過反向系間竄越過程回到單重態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效的激子利用。

然而在傳統(tǒng)認(rèn)知中，TADF 材料需要使得其前線分子軌道最高占據(jù)分子軌道（HOMO，Highest Occupied Molecular Orbital）/最低未占分子軌道（LUMO，Lowest Unoccupied Molecular Orbital）充分分離，以降低 HOMO-LUMO 的電子交換積分 2KHL，降低 ΔES1T1。然而，這也使得 TADF 材料普遍存在著結(jié)構(gòu)弛豫嚴(yán)重、光譜展寬嚴(yán)重、色純度差的問題。并且，2KHL 的降低也使得其熒光輻射躍遷速率顯著下降。這些問題的存在使得 TADF 材料難以直接應(yīng)用于高色純度的顯示應(yīng)用中。

直到 2016 年，多共振型（MR，Multi-Resonance）發(fā)光材料打破了傳統(tǒng) TADF 設(shè)計(jì)的這一認(rèn)知：這類材料具有雜原子摻雜的平面稠合骨架結(jié)構(gòu)，在分子軌道空間重疊較強(qiáng)的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)小 ΔES1T1、高輻射躍遷速率的窄譜帶發(fā)光。盡管近些年 MR 發(fā)光材料得到了廣泛的研究和發(fā)展，其底層設(shè)計(jì)機(jī)理仍然不夠清晰（例如，這類材料為何能在具有明顯 HOMO/LUMO 重疊的情況下實(shí)現(xiàn)小的 ΔES1T1），現(xiàn)有含時(shí)密度泛函理論難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)此類材料的激發(fā)態(tài)性質(zhì)，阻礙了這類材料的理性設(shè)計(jì)和發(fā)展。為了解決這一問題，蘇州大學(xué)教授張曉宏課題組開展了一項(xiàng)研究。

通過本次研究，他們揭示了 MR 發(fā)光材料在分子軌道強(qiáng)空間重疊下，仍能實(shí)現(xiàn)小 ΔES1T1 的機(jī)制。

（來源：資料圖）

傳統(tǒng)基于單電子激發(fā)模型下的觀念認(rèn)為，ΔES1T1 的減小需要最小化 HOMO-LUMO 軌道空間重疊程度，以降低 HOMO-LUMO 交換積分（2KHL）。

而該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，MR 型分子的激發(fā)態(tài)由于是多電子激發(fā)過程，除了 HOMO→LUMO 的激發(fā)過程，其 HOMO→LUMO+1 軌道的激發(fā)過程也對(duì)其激發(fā)態(tài)有重要貢獻(xiàn)。而 HOMO→LUMO 與 HOMO→LUMO+1 過程的耦合會(huì)顯著穩(wěn)定 S1 態(tài)能量，從而顯著減小 ΔES1T1。

基于這一能夠更準(zhǔn)確描述 MR 發(fā)光材料激發(fā)態(tài)性質(zhì)的物理模型，他們進(jìn)一步推導(dǎo)出了一個(gè)僅基于材料分子的簡(jiǎn)單基態(tài)參數(shù) HOMO-LUMO 交換積分（2KHL）和 LUMO-LUMO+1 能級(jí)差（ΔELUMO–LUMO+1）就可以預(yù)測(cè)其 ΔES1T1 的模型公式，并通過已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)案例驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和普適性。

他們還基于該模型成功發(fā)展了高效的 MR 發(fā)光材料 IV-DABNA，其實(shí)驗(yàn)測(cè)試 ΔES1T1 與其模型公式預(yù)測(cè)結(jié)果高度相符。最終表現(xiàn)出極為出色的器件性能，最大外量子效率接近 40%，效率滾降也極低，1000cdM?2 的亮度下效率仍達(dá) 38%。

總的來說，他們的工作從最基本的物理層面出發(fā)，闡明了 MR 發(fā)光材料“小 ΔES1T1”的起源，為面向超高清顯示的 OLED 材料的設(shè)計(jì)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（來源：資料圖）

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱：“這是一項(xiàng)令人印象深刻且重要的工作，不僅深化了對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料中 ΔES1T1 的理解，還證明了新提出的 ΔES1T1 表達(dá)式在高效多環(huán)雜芳烴發(fā)光材料的篩選和設(shè)計(jì)中表現(xiàn)優(yōu)異。”

此外，Nature Materials 編輯團(tuán)隊(duì)也評(píng)價(jià)這一工作：“該研究深化了多共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）材料中單重態(tài)-三重態(tài)能隙（ΔES1T1）的理解，為設(shè)計(jì)高效、低滾降的 OLED 的設(shè)計(jì)提供了發(fā)現(xiàn)。”

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02309-4）

OLED 技術(shù)本身是一項(xiàng)有巨大應(yīng)用前景的平板顯示技術(shù)。利用本工作提出的這一普適模型，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界有望發(fā)展性能更加優(yōu)異的高性能 OLED 發(fā)光材料，并將其應(yīng)用于超高清顯示 OLED 技術(shù)中。

科研工作者大多深有體會(huì)：研究到了一定階段，常會(huì)步入瓶頸期。大量重復(fù)、枯燥的實(shí)驗(yàn)與嘗試，往往遲遲換不來令人滿意的結(jié)果。例如，在本工作的第一輪審稿意見中，有一個(gè)審稿人雖然對(duì)該團(tuán)隊(duì)提出的理論表現(xiàn)出了濃厚的興趣，但也對(duì)其普適性提出了質(zhì)疑。他要求該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成更多全光譜發(fā)光范圍內(nèi)的 MR 材料，來驗(yàn)證所提出的物理模型的普適性。他們雖然在紙面上很快就設(shè)計(jì)了若干這樣的候選材料。然而，它們的實(shí)驗(yàn)合成卻出現(xiàn)了很大的問題——有的中間體難以溶解導(dǎo)致做不出終產(chǎn)物，有的硼化反應(yīng)產(chǎn)率極低，導(dǎo)致難以提純出來……每當(dāng)這樣的時(shí)刻，團(tuán)隊(duì)中難免彌漫著“或許這樣也可以了”的放棄念頭。

但是團(tuán)隊(duì)成員王凱對(duì) DeepTech 表示：“我們始終相信歷盡天華成此景，人間萬事出艱辛。”正因?yàn)闆]有輕言放棄，在持續(xù)不斷的摸索與嘗試中，他們最終幸運(yùn)地找到了答案——這看似偶然的突破，其實(shí)正是堅(jiān)持與努力所帶來的必然饋贈(zèng)。

總的來說，這一工作顯著加深了對(duì) MR 材料設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，為超高清 OLED 發(fā)光材料的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

下一步，一方面他們將基于本工作提出的這一普適模型，對(duì) MR 材料進(jìn)行更加深入的理性設(shè)計(jì)和調(diào)控。另一方面，他們還將對(duì) MR 發(fā)光材料的其他共性問題進(jìn)行更加深入的研究，例如其譜帶窄化的原因和驅(qū)動(dòng)力、其器件穩(wěn)定性的決定性因素等，推動(dòng)這類新型 OLED 發(fā)光材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn) OLED 材料的國(guó)產(chǎn)替代。

參考資料：

Walia, R., Xiong, X., Fan, XC. et al. Achieving small singlet–triplet energy gaps in polycyclic heteroaromatic emitters.Nat. Mater.(2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02309-4

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍