華南理工大學趙祖金教授《Nat. Commun.》：利用手性TADF敏化劑和非手性MR分子構建超熒光圓偏振OLED
在現代顯示技術與光學通信領域，圓偏振光（CPL）因其獨特的光學特性展現出巨大的應用潛力，在3D顯示、信息加密，光電器件和自旋電子學等領域發揮著重要作用。相比于依賴偏振器和四分之一波片來獲取圓偏振光的傳統方法，直接利用手性發光材料產生圓偏振光被認為是一種更簡單高效的方式。熱活化延遲熒光（TADF）材料能通過快速的反向系間竄躍（RISC）過程利用三線態激子，從而實現高效的電致發光，但開發兼具高發光效率和CPL特性的圓偏振熱激活延遲熒光（CP-TADF）材料仍是當前研究的難點。此外，隨著顯示技術對超高分辨率的要求不斷提升，大多數光譜較寬的CPL材料無法滿足當前的顯示需求，開發同時具有窄光譜和高效率的圓偏振有機發光二極管（CP-OLED）變得尤為重要。
近日，華南理工大學趙祖金教授團隊報道了構建窄光譜和高效率CP-OLED的新方法。首先通過引入手性單元到扭曲的TADF骨架中，設計合成了兩對高效的CP-TADF分子(R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC（圖1），它們都具有高的熒光量子產率、良好的發光不對稱因子和高水平偶極取向。這些分子不僅可以作為發光客體制備高效的CP-OLED，更重要的是，它們還可以作為手性TADF敏化劑敏化非手性多重共振（MR）分子，構建具有窄光譜和高效率的超熒光CP-OLED。此外，作者還提出并制備了疊層超熒光CP-OLED，疊層器件表現出51.3%的最大外量子效率，同樣具有窄發射特性的圓偏振電致發光（CP-EL）。超熒光CP-OLED中非手性MR發光客體產生CP-EL信號的潛在機制可能是圓偏振熒光共振能量轉移（CP-FRET）以及手性誘導自旋選擇性（CISS）效應的協同作用。
圖1. (R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC的分子結構、晶體結構和前線軌道分布
由于(R/S)-OBN-XT-SXAC和(R/S)-OBN-XT-SFAC具有優異的CP-TADF性質，首先將其用作發發光客體制備了摻雜CP-OLED（圖2）。這些器件表現出高達33.8%的最大外量子效率，并且具有良好的CP-EL信號。其中，高的水平偶極取向對摻雜CP-OLED的器件性能提升也起到了重要作用。
圖2.基于CP-TADF材料的摻雜CP-OLED的電致發光性能
圖3.基于手性TADF敏化劑和非手性MR發光客體的同相敏化超熒光CP-OLEDs的電致發光性能
盡管這些CP-TADF材料在摻雜CP-OLED中表現出優異的器件效率，但CP-EL光譜較寬，為了提高CP-OLED的色純度，作者將這些CP-TADF材料作為敏化劑，非手性窄光譜的MR分子v-DABNA和BN2作為發光客體，制備了同相敏化的超熒光CP-OLED。同相敏化器件的最大外量子效率分別為28.5%和31.4%，半峰寬僅為20和42 nm，并且具有窄光譜發射的CP-EL信號（圖3）。
圖4.基于手性TADF敏化劑和非手性MR發光客體的層間敏化超熒光CP-OLED的電致發光性能
在同相敏化的超熒光CP-OLED中，手性敏化劑和非手性發光客體共摻雜到一個主體中，非手性發光客體的CP-EL信號可能會受到相鄰手性敏化劑的手性環境的影響。為了深入探究敏化器件中手性轉移的機制，作者將手性敏化劑和非手性發光客體分別摻雜到兩個獨立的功能層，構建了層間敏化超熒光CP-OLED（圖4）。結果顯示，不同結構配置的層間敏化器件都表現出窄光譜發射的CP-EL信號，這可能是由于電荷載流子在通過器件中的手性敏化層后發生自旋極化，其中一部分可以直接在含有非手性MR分子的發光層中復合，從而使非手性MR發光客體產生CP-EL信號。這些結果表明，CISS效應和CP-FRET可能協同作用使得敏化器件中非手性MR材料產生CP-EL信號。
此外，作者還提出并制備了疊層超熒光CP-OLED，疊層器件表現出51.3%的最大外量子效率，并且CP-EL信號也略微增強，與非疊層CP-OLED相比，展現了更高的電致發光效率和更強的CP-EL信號（圖5）。在疊層超熒光CP-OLED中，兩個含有非手性MR分子的發光層可能會產生具有相同光學活性的CP-EL并形成光波的相長干涉，從而使得圓偏振電致發光性能增強，這表明疊層器件結構可能是提升圓偏振電致發光性能的一個有效途徑。
圖5.基于手性TADF敏化劑和非手性MR發光客體的疊層超熒光CP-OLED的電致發光性能
綜上所述，這項工作不僅開發了高效的CP-TADF材料，還提供了一種利用CP-TADF敏化劑和非手性MR發光客體構建超熒光CP-OLED的簡便方法，并闡明了使非手性MR分子產生CP-EL信號的潛在敏化機制，提出的疊層超熒光CP-OLED也展示了更優異的器件性能，為CP-OLED的發展和應用提供了新的思路。研究內容以“Hyperfluorescence circularly polarized OLEDs consisting of chiral TADF sensitizers and achiral multi-resonance emitters”為題發表在Nature Communications上。該工作的通訊作者為華南理工大學趙祖金教授，第一作者是華南理工大學博士研究生陳樂田和碩士研究生鄒鵬。該工作受到國家自然科學基金（U23A20594和22375066）和廣東省基礎與應用基礎研究基金（2023B1515040003）的支持。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56923-6
