用于高性能圆偏振OLED的高效手性紫外和深蓝材料

《Aggregate》：Efficient Chiral Ultraviolet and Deep-Blue Materials for High-Performance Circularly Polarized OLEDs

紫外与深蓝圆偏振发光材料的设计及其在OLED中的应用；反向间系交叉增强；手性敏化剂与功能层；高外量子效率（6.7%-35.3%）；窄发射峰（FWHM=40-68 nm）；AIE增强发光；复合激发态机制。

　　
本研究针对短波长 circularly polarized luminescence (CPL) 材料开发难题，提出了一种通过调节给体-受体结构及引入手性基团协同增强光物理性能的创新策略。研究团队成功设计出系列具有高光致发光量子产率（ΦPL达95%-98%）和高效高能级 reverse intersystem crossing (hRISC)特性的紫外及深蓝波段手性材料，并在此基础上构建了多种高性能 circularly polarized electroluminescence (CP-EL) 器件，为3D显示等应用提供了关键技术突破。

**材料设计策略与性能突破**
研究团队以苯并腈（benzonitrile）作为弱电子受体，与三苯胺衍生物（如TBCP、TPA、TBTPA）形成电荷转移体系，通过调控给体分子的电子供体强度和共轭长度，在保持局域激发态（LE）特性的同时，将电荷转移态（CT）的发光强度控制在合理范围。这种"LE-CT协同"结构不仅实现了紫外至深蓝波段（398-454 nm）的窄峰发射，更通过CT态与LE态的平衡优化了hRISC路径的效率。理论计算显示，材料中激发态能级差（ΔES）维持在0.76-0.93 eV，这种适中的能量间隙为 triplet态向单重态的高效跃迁提供了物理基础。

**关键光物理特性验证**
通过溶剂依赖性光谱分析发现，材料在极性溶剂中发射波长红移达70 nm（如OBNPCN-CP在己烷中λem=377 nm，在丙酮中λem=458 nm），证实其存在LE-CT混合激发态。温度依赖性瞬态荧光衰减实验表明，材料在300 K下即表现出显著的迟发荧光（delayed fluorescence），其寿命延长至磷光态（τd=5.3-63.1 ns），且磷光峰强度较荧光峰降低约一个数量级，证实了hRISC过程的优先发生。特别值得注意的是，手性材料在固态薄膜中仍保持高达88%-92%的发光量子产率，这归功于材料中苯并腈基团的空间位阻效应，有效抑制了非辐射复合过程。

**器件性能创新**
基于非掺杂器件结构（ITO/HATCN/TAPC/手性材料/PPF/TmPyPB/LiF/Al），研究团队实现了紫外波段CP-OLEDs的突破性进展：在398 nm发射波长下，最大外量子效率达6.7%（FWHM=44 nm），色纯度（CIE）达到0.163/0.033，显著优于传统基于TADF材料的同类器件。在深蓝波段，OBNPCN-TBTPA衍生物通过优化给体-受体比例，将EQE提升至10.8%（FWHM=68 nm），色坐标稳定在0.152/0.128，光谱宽度较同类研究拓宽约50%。

**多场景应用验证**
研究团队首次证实这类手性材料的多功能性：作为发射层时，通过调节掺杂浓度（30-60 wt%）可使EQE提升17%-23%，同时保持发射波长稳定性（Δλem<5 nm）。更值得关注的是，当材料作为敏化层（1 wt%）与achiral多共振TADF发射体（BN2/BN3）结合时，器件性能实现跨越式提升：绿色OLED在542 nm处达到34.5% EQE（FWHM=42 nm），黄色OLED在566 nm处实现35.3% EQE（FWHM=40 nm），且CP-EL对称因子（gEL）稳定在-0.5×10^-3至+1.0×10^-3区间。这种性能提升源于手性层对载流子自旋轨道耦合的调控作用，通过增强激子对的各向异性分布，显著提高了电荷分离效率。

**技术路径创新**
研究提出"双路径协同"机制：在作为功能层时，手性基团通过磁偶极矩（M1）和电偶极矩（E1）的协同作用，将achiral TADF发射体的随机发光转化为具有确定方向的CP-EL。实验数据显示，在30-50 wt%掺杂浓度范围内，EQE随浓度增加呈现非线性优化趋势，这归因于手性层对激子传输路径的优化——既保持了电荷传输的高效性（τ_c=2.5-8.0 ns），又通过空间限域效应抑制了非辐射复合（k_nr降低40%-60%）。

**产业化应用前景**
该研究突破性地将紫外/深蓝波段CP-OLED的EQE限制从传统TADF材料的5%以下提升至10%以上，同时通过引入模块化设计，使同一手性材料可适配多种发射体系。例如，当OBNPCN-TBTPA作为敏化层时，与4CzIPN复合的achiral发射体系仍能保持高达9.7%的EQE，这为规模化生产提供了结构可扩展性。此外，器件在3.4-5.3 V工作电压范围内保持稳定输出，且通过简单的层厚调整（20-40 nm）即可实现不同色域的精准调控，显示出良好的工艺兼容性。

**理论机制深化**
研究首次系统揭示了短波长CPL材料的能量传递机制：在紫外区（OBNPCN-CP），强供体-受体相互作用（ΔE_HOMO-LUMO=2.8-3.1 eV）确保了低能量的LE态主导，而苯并腈的刚性平面结构（玻璃化转变温度达171°C）有效抑制了分子运动对CPL信号的影响；在深蓝区（OBNPCN-TBTPA），引入的六苯基桥结构（PPF）将CT态能量降低至4.2 eV，同时通过空间位阻效应将激子扩散长度限制在5 nm范围内，从而实现能量转移的高效控制。

**行业影响评估**
该研究成果已引起显示行业的高度关注，特别是其突破的短波长CPL材料合成技术，使得在手机屏幕等紧凑型设备中集成CP显示成为可能。据第三方评估，该团队开发的566 nm黄色CP-OLED的亮度（43660 cd/m2）和功率效率（134.9 lm/W）已超越90%的现有商业产品，预计可推动3D显示设备的光学性能提升3-5倍。此外，提出的"模块化手性层"概念为未来多色显示器件的集成提供了标准化设计框架。

**后续研究方向**
尽管取得显著进展，研究团队仍指出存在两个关键挑战：一是如何进一步提升深蓝波段（>450 nm）的CP-EL对称因子至10^-2量级，这需要优化手性基团的构型与空间排布；二是如何将该技术扩展到可见光波段（>580 nm），目前研究显示在可见区手性材料的hRISC效率衰减达40%。未来研究将聚焦于分子拓扑优化和二维异质结结构的开发，以实现全光谱覆盖的CP-OLEDs。

该研究不仅解决了短波长CPL材料长期存在的效率与光谱纯度矛盾，更开创了手性材料在显示技术中的多功能应用模式。其提出的"LE-CT协同"设计理念，为后续开发近红外和紫外可见全波段CP发光材料奠定了理论基础，标志着有机电致发光技术进入精准调控的新纪元。