短程电荷转移诱导高效超窄带深蓝余辉材料实现加密光通信与高分辨率显示

为解决有机深蓝余辉材料效率低、带宽大（FWHM >60 nm）和色纯度差的核心难题，西北工业大学等机构研究人员通过短程电荷转移（SRCT）策略设计吲哚咔唑基多共振热激活延迟荧光（MR-TADF）分子。该材料在PMMA基质中实现438 nm深蓝发射，创纪录的18 nm超窄带宽、186.48 ms长寿命及86.1%高光致发光量子产率（PLQY），CIE色坐标（0.156, 0.044）逼近BT.2020蓝光标准（0.131, 0.046）。其通过抑制振动耦合和结构弛豫，增大单重态-三重态能隙（△EST=0.32 eV），降低反向系间窜越速率（kRISC=29.24 s-1），为加密光通信（分辨率575 dpi）和抗闪烁显示提供关键技术支撑。

　　

论文解读

在追求超高清显示、高密度数据存储和光通信技术的浪潮中，高效窄带深蓝发光材料（<450 nm）成为关键瓶颈。传统有机余辉材料因强振动耦合和结构弛豫，普遍存在发射谱带宽（>60 nm）、色坐标偏移严重、量子效率低下等缺陷，尤其深蓝区域的高效窄带余辉更是空白地带。西北工业大学黄维院士、顾龙教授团队联合其他研究机构，创新性地提出短程电荷转移（SRCT）策略，通过分子骨架精准设计，在《Nature Communications》发表了突破性成果——实现效率达86.1%、带宽仅18 nm的深蓝余辉材料，并成功应用于加密通信与高分辨率显示。

研究团队采用芳香亲核取代结合钯催化分子内环化技术，合成pICz-Ph等吲哚[3,2,1-jk]咔唑基多共振分子。通过掺杂至聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质（玻璃化转变温度T_g=115.5°C）抑制分子运动，结合瞬态荧光、变温磷光光谱及密度泛函理论（DFT）计算，系统解析光物理机制。

研究结果

光物理性能

pICz-Ph/PMMA薄膜（0.1 wt%）在365 nm紫外光关闭后呈现肉眼可见的深蓝余辉（图2a）。其稳态荧光与延迟荧光（延迟时间8 ms）光谱完全重叠，峰值波长440 nm，半高宽（FWHM）仅为18 nm（118.6 meV），创有机余辉材料最窄纪录。CIE色坐标（0.156, 0.044）色纯度达95.7%，接近BT.2020蓝光标准（0.131, 0.046）。

寿命测试显示双指数衰减：纳秒级瞬态荧光（10.4 ns）和毫秒级延迟荧光（148.26 ms）（图2c）。PLQY高达84.6%，掺杂浓度在0.005–0.5%范围内均保持>120 ms长寿命与<22 nm窄带宽（图2d）。

作用机制

理论计算揭示SRCT核心机制：分子骨架中邻位碳氮原子诱导最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）空间分离（图3d），产生多共振效应。

溶剂效应验证激子态偶极矩（μ_e=1.3 D）显著低于传统TADF材料4CzIPN（17.0 D），表明弱电荷转移特性。大△E_ST（0.32 eV）抑制反向系间窜越（k_RISC=29.24 s^-1），低频扭转振动模式（114.89 cm^-1）重组能仅189.72 cm^-1（图3e），显著降低振动耦合。PMMA刚性网络阻断氧气淬灭（空气中余辉强度降至氮气环境的40%），稳定三重态激子。

普适性验证

pICz、pICz-Me、pICz-StBu等类似分子均实现高效深蓝余辉：峰值434–442 nm，FWHM 19–21 nm，PLQY 82.3–86.1%，寿命101.22–186.48 ms（图4a-c）。

应用展示

1. 加密光通信：利用250–400 nm激发波长编程光强输出（00/01/10/11），结合随机算法解密信息（图5b）。

2. 高分辨率显示：pICz-Ph/PMMA薄膜制备USAF 1951测试图案，余辉分辨率达575 dpi（线宽84 μm）（图5c），调制传递函数（MTF）值23.2 lp mm^-1远超传统RTP材料（11.6 lp mm^-1）。

3. 抗闪烁显示：毫秒级余辉特性显著降低高频开关下的亮度波动（ΔI），缓解雷达扫描等场景的闪烁问题（图5e）。

   

结论与意义

该研究通过SRCT策略与聚合物刚性化协同，首次实现FWHM 18 nm、PLQY 86.1%的深蓝有机余辉，突破效率-带宽-色纯度的三重限制。理论证实大△E_ST与弱振动耦合是长寿命窄发射的核心，而自旋-振动耦合辅助的RISC过程（T₃→S₁，ξ=0.155 cm^-1）解决大能隙下的高效上转换难题。其在加密通信、高分辨率显示等领域的成功演示，为超高清柔性显示、光子防伪及生物成像提供革新性材料平台。