基于吡咯[4,5-d]oxazole结构的D-π-α荧光团,兼具杂化局域效应和电荷转移特性,适用于高效的无掺杂蓝色有机发光二极管(OLEDs)

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》:Pyreno[4,5- d]oxazole-based D-π-a fluorophores with hybridized local and charge-transfer characteristics for efficient blue non-doped OLEDs

【字体: 时间:2025年11月20日 来源:Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 4.1

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  蓝荧光PyO基D-π-A分子材料通过引入甲基和三苯基并咔唑构建 twisted分子构型抑制聚集,表现出高PLQY(53%/37%)和hRISC特性(T3/4→S1),非掺杂OLED器件实现EQE 4.79%/4.31%纯蓝发射(444/432nm)。

  
王宝月|郑淑宁|廖浩森|刘家豪|陈东|池海军|李卓|赵波|李晓
辽宁科技大学(USTL)化学工程学院,中国鞍山114051

摘要

具有杂化局域作用与电荷转移(HLCT)特性的蓝色荧光发射体已成为高性能有机发光二极管(OLED)研究的热点。在本研究中,成功合成了两种新型的基于吡咯[4,5-d]oxazole(PyO)的蓝色D-π-A结构荧光团PyO-MP-CzPyO-DMP-Cz,其中PyO和3,6-二叔丁基-9-甲基-9H-咔唑分别作为受体和供体,甲基修饰的双苯作为π共轭桥。这两种荧光团具有高度扭曲的分子构象,显著抑制了分子间的聚集。PyO-MP-CzPyO-DMP-Cz在455和443纳米处发出蓝色光,其在纯膜中的光致发光量子产率分别为53%和37%。光物理实验和理论计算表明,PyO-MP-CzPyO-DMP-Cz表现出HLCT特性,并伴随着从T3/4到S1的高能级逆向系间跃迁过程。因此,基于PyO-MP-Cz/PyO-DMP-Cz作为发射体的非掺杂OLED显示出纯蓝色光,峰值分别为444纳米和432纳米,CIE坐标分别为(0.165, 0.147)和(0.169, 0.128),最大外部量子效率分别为4.79%和4.31%。基于PyO-MP-Cz/PyO-DMP-Cz的OLED还实现了45%和58%的高激子利用效率。这些结果展示了PyO作为构建高效非掺杂OLED蓝色HLCT荧光团的基本构建块的巨大潜力。

引言

1987年Tang和VanSlyke在有机发光二极管(OLED)领域的开创性工作引发了显示技术的深刻变革,使OLED成为平板显示行业的主流技术[[1], [2], [3]]。提高OLED性能的关键策略在于开发高效发光材料[[4], [5], [6]]。其中,绿色和红色发射体是基本的主色,而蓝色发射体对于OLED的成功商业化尤为重要[[7], [8], [9]]。目前,商用蓝色荧光OLED仍存在效率低的问题,因为传统荧光材料只能利用25%的激子(单重态)进行电致发光(EL),导致外部量子效率(EQE)低于5% [10]。为克服这一限制,提出了利用逆向系间跃迁(RISC)过程从三重态(T3/4)到单重态(S1)的荧光材料,包括热激活延迟荧光(TADF)和热激子材料[[11], [12], [13]]。对于TADF材料,三重态激子从最低的三重态(T1)跃迁到单重态(S1,实现了100%的激子利用效率(EUE)[14,15]。然而,这一过程在高电压下通常会导致效率显著下降,因为RISC速率(kRISC)较低[14,16]。相比之下,热激子材料也可以通过高能级的逆向系间跃迁(hRISC)机制实现完全的激子捕获,其中高能级的三重态激子(Tm,m ≥ 2)跃迁到单重态(Sn,n ≥ 1),具有较高的kRISC值[[17], [18], [19]]。热激子材料得益于较短的激发态寿命,减少了高电压下三重态激子的积累并抑制了三重态-三重态湮灭(TTA),从而促进了非掺杂器件的制备[20,21]。此外,热激子材料通常表现出杂化局域作用与电荷转移(HLCT)的激发态特性,其中电荷转移(CT)激发态有效提高了三重态激子的利用效率,而局域激发(LE)态则提高了光致发光量子产率(PLQY)[22,23]。然而,迄今为止报道的大多数热激子材料涉及菲[9,10-d]咪唑[[24], [25], [26], [27]]、蒽[[28], [29], [30]]、氰菲[31]、三嗪[32]等分子结构。这些分子结构的多样性仍有待进一步扩展。
吡咯[4,5-d]oxazole(PyO)是一种新型的潜在蓝色发射构建块,具有较大的刚性平面结构、宽的能隙和独特的能级排列[33]。我们之前的工作报道了一种基于PyO的蓝色荧光团PyO-P-TPA,它表现出HLCT特性[33]。基于PyO-P-TPA的掺杂OLED实现了良好的电致发光性能,最大EQE为5.64%。然而,由于分子中的强电子供体三苯胺基团和扩展的π共轭体系,导致OLED无法实现纯蓝色/深蓝色发光。因此,进一步优化PyO的分子工程以探索其在高性能非掺杂器件中的应用潜力至关重要。在这项研究中,设计并合成了两种新型的供体-π-受体(D-π-A)型蓝色分子PyO-MP-Cz(10-(4′-(3,6-二叔丁基-9H-咔唑-9-基)-2-甲基-[1,1′-双苯]-4-基)吡咯[4,5-d]oxazole)和PyO-DMP-Cz(10-(4′-(3,6-二叔丁基-9H-咔唑-9-基)-2,2′-二甲基-[1,1′-双苯]-4-基)吡咯[4,5-d]oxazole)。理论模拟和光物理测量表明,这两种化合物都表现出具有合适CT组分的HLCT特性,并伴随着从T3/4到S1的hRISC过程。结果,基于PyO-MP-CzPyO-DMP-CzPyO-MP-Cz/PyO-DMP-Cz

部分内容

分子设计、合成与表征

如图1所示,通过采用PyO块作为核心受体,构建了两种新型的D-π-A型分子PyO-Me-CzPyO-Me-Cz。与之前的工作相比,用中等电子供体3,6-二叔丁基-9-H-咔唑(tBu-Cz)替换了强供体(二苯胺),以减少分子内的电荷转移效应。同时,在双苯桥中引入了空间位阻单元(甲基)以构建扭曲的分子结构,从而抑制...

结论

总结来说,通过采用PyO作为中等电子抽取块,tBu-Cz作为弱电子供体,以及单/双甲基修饰的双苯作为π共轭桥,设计并开发了两种新型的D-π-A荧光团PyO-MP-CzPyO-DMP-Cz。得益于D-π-A分子构象,这两种荧光团在纯膜中构建了HLCT激发态和从T3/T4到S1的hRISC通道。PyO-MP-CzPyO-DMP-Cz表现出优异的热稳定性和高PLQY。

CRediT作者贡献声明

王宝月:撰写——原始草稿、验证、研究、数据管理、概念构思。郑淑宁:验证、研究、形式分析、数据管理。廖浩森:软件、研究、数据管理。刘家豪:软件、资源、概念构思。陈东:资源、方法论、形式分析。池海军:验证、资源。李卓:监督、资金获取。赵波:撰写——审阅与编辑、资源、资金获取。李晓:撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢辽宁省功能性材料重点实验室开放项目基金(项目编号KFKT2025-09)和辽宁省教育厅项目(项目编号LJ212510146015)的支持。
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