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在有机发光二极管（OLEDs）领域，稳定且高效的深蓝色器件发展受限，源于缺乏合适主体材料。研究人员开发氘代激基复合物形成主体（D-SiCzCz:D-SiTrzCz2）用于深蓝色磷光 OLEDs（PhOLEDs），提升了器件性能，为相关领域发展提供新方向。
在显示技术飞速发展的当下，有机发光二极管（OLEDs）凭借自发光、视角广、响应速度快等优势，成功跻身新一代显示技术行列，在手机、电视等众多电子设备屏幕中大放异彩，创造了高达数百亿美元的市场价值。然而，OLEDs 产业的发展并非一帆风顺，其中深蓝色 OLEDs 的性能问题成为制约其进一步发展的关键瓶颈。
目前，市场上的深蓝色 OLEDs 大多依赖传统荧光发射体，但其内部量子效率（IQE）较低，导致发光效率不理想，无法满足人们对高亮度、低能耗显示的需求。尽管蓝色磷光（PhOLEDs）和热激活延迟荧光 OLEDs（TADFOLEDs）理论上能实现近乎 100% 的 IQE，被视为极具潜力的替代方案，但由于缺乏合适的主体材料，其器件稳定性较差，严重限制了实际应用。例如，现有的一些主体材料不仅需要比掺杂剂更高的能级，而且电荷转移性能不佳，导致器件工作电压高、效率低、寿命短，难以满足市场对高质量显示的要求。
为了攻克这些难题，来自清华大学的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于开发一种新型主体材料，期望能提升深蓝色 PhOLEDs 的性能，为 OLEDs 产业的发展注入新的活力。研究人员基于经典的质子化 SiCzCz:SiTrzCz2 体系，开发了氘代激基复合物形成主体（D-SiCzCz:D-SiTrzCz2），并对其物理机制进行了全面而深入的研究。
最终，研究人员取得了令人瞩目的成果。他们发现，这种氘代激基复合物形成主体不仅能通过抑制高能分子振动和降低化学反应性，增强分子的内在稳定性，还能凭借降低的分子重组能，提升电荷传输能力。更为重要的是，他们首次揭示了氘代主体对掺杂剂的 “外部氘代效应”，该效应能为磷光掺杂剂营造更紧密的环境，减少其肩部发射，使颜色略微蓝移，同时加速辐射衰减过程，提高发光效率和稳定性。基于此，使用 D-SiCzCz:D-SiTrzCz2 作为主体的深蓝色 PhOLEDs，与基于质子化主体的器件相比，不仅工作电压更低、效率更高，器件寿命还延长了 1.4 - 1.6 倍，且电致发光颜色更蓝。这些成果为高效稳定的深蓝色 OLEDs 的发展提供了重要的理论支持和实践指导，有望推动 OLEDs 产业在深蓝色显示领域取得重大突破。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过量子化学计算（如使用 Gaussian 16 和 ORCA 软件包），深入探究分子的电子结构和性质；采用分子动力学（MD）模拟，研究分子间的相互作用和堆积模式；利用光物理表征技术，包括 UV-vis 吸收光谱、光致发光（PL）光谱、绝对光致发光量子产率（PLQY）测量等，分析材料的光学性能；借助电化学分析方法，如循环伏安法，测定材料的能级；还通过制备有机光电器件，测试其电流 - 电压 - 亮度特性、外部量子效率（EQE）、电致发光（EL）衰减行为等，评估器件性能。
分子合成和计算结果
研究人员合成了 D-SiCzCz 和 D-SiTrzCz2，仅对分子中的咔唑单元进行氘代。通过多种表征手段，如 1H NMR、13C NMR 和 MALDI-TOF 质谱，确认了化合物的化学结构。热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）表明，两种材料的热稳定性良好，玻璃化转变温度分别为 117℃和 121℃，无熔点和结晶温度，有利于高温下器件的稳定运行。
密度泛函理论（DFT）计算显示，氘代对分子轨道分布无直接影响，但改变了分子振动特性。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱模拟和实验结果均表明，氘代后 C-H 拉伸振动峰减弱，C-D 拉伸振动峰出现，分子振动频率降低，零点能（ZPE）值减小，高振动能级的分子布居数降低，有利于主体材料在激发态下的稳定性。此外，计算键解离能（BDEs）发现，C-D 键的 BDE 值在中性和离子态下均显著高于 C-H 键，说明氘代增强了分子的内在结构稳定性。
光物理和电子性质
在光物理性质方面，D-SiCzCz 和 D-SiTrzCz2 在 300 - 360nm 处有强吸收带，对应 π-π* 跃迁吸收。与质子化材料相比，其发射光谱蓝移且变窄。D-SiCzCz:D-SiTrzCz2 和 SiCzCz:SiTrzCz2 混合物的发射均源于激基复合物，且氘代激基复合物的寿命更长。通过对掺杂 PtON-TBBI 和 PtON-tb-DTB 的薄膜研究发现，氘代主体能抑制掺杂剂的高频振动，减小光谱半高宽（FWHM），提高 PLQY，缩短辐射衰减寿命，这得益于氘代主体为掺杂剂提供了更紧密的环境。
在电荷传输特性方面，通过制备空穴器件（HODs）和电子器件（EODs）研究发现，D-SiCzCz、D-SiTrzCz2 及相应激基复合物的电流密度明显高于非氘代材料，说明氘代增强了电荷传输能力。根据 Marcus 电子转移理论分析，氘代后分子堆积更紧密，电荷转移积分（J）增加，重组能（λ）降低，共同促进了电荷传输。同时，电学老化和光电老化测量表明，氘代能提高激基复合物主体材料中三重态激子和极化子的稳定性。
器件表征和性能
研究人员制备了基于 D-SiCzCz:D-SiTrzCz2 和 SiCzCz:SiTrzCz2 主体的 OLEDs 器件，对其电致发光（EL）性能进行评估。结果显示，使用氘代主体的器件电流密度更高，工作电压更低，EL 光谱的肩部峰更低，CIE 坐标更蓝。例如，基于 PtON-TBBI 的器件 A，最大外部量子效率（EQE）达到 27.4%，最大功率效率（PE）为 41.2 lm/W，在 1000 cd/m2 和 5000 cd/m2 亮度下，EQE 分别保持在 26.4% 和 23.7%，效率滚降较小；器件 A 的寿命（LT90）为 370 h，是基于非氘代主体的器件 B（226 h）的 1.6 倍。基于 PtON-tb-DTB 的器件 C 也展现出类似优势，最大 EQE 为 19.9%，最大 PE 为 33.6 lm/W，寿命（LT90）达到 557 h，是器件 D（390 h）的 1.4 倍。这些结果表明，氘代激基复合物形成主体能显著提升深蓝色 PhOLEDs 的性能。
综上所述，研究人员成功开发了用于深蓝色磷光 OLEDs 的氘代激基复合物形成主体（D-SiCzCz:D-SiTrzCz2）。该主体不仅提升了载流子传输能力和器件稳定性，还揭示了对掺杂剂的外部氘代效应。基于此主体的 PhOLEDs 在寿命、效率和颜色纯度等方面表现卓越，为稳定高效的蓝色 OLEDs 发展提供了新方向，有望推动 OLEDs 产业在深蓝色显示领域的进一步发展，解决当前 OLEDs 产业面临的关键问题，满足市场对高质量显示的需求，具有重要的科学意义和应用价值。
