第一作者：刘章山，郭婷
通讯作者：赵祖金
通讯单位：华南理工大学
论文DOI：10.1002/adfm.202517758
有机发光二极管（OLED）因高效率和低成本等优势成为显示领域的核心技术，但传统多层器件结构复杂、成本高昂。近年来，结构简化的厚膜OLED 因其制备工艺简单且性能接近多层器件而备受关注，但其核心挑战在于发光层（EML）需同时具备平衡的空穴/电子传输能力和高效激子利用率。
近日，华南理工大学赵祖金教授团队设计了一种新型双极性热激活延迟荧光（TADF）材料2FTRZ-SFAC（图 1）。该分子通过引入二苯并呋喃到三嗪（TRZ）受体中，降低了电荷转移强度，增强了π-π 堆叠，在实现发光峰蓝移的同时提高了载流子迁移率。同时，相比于TRZ-SFAC，二苯并呋喃的引入明显地提升了2FTRZ-SFAC 的热稳定性，电子传输速率和水平偶极取向。将2FTRZ-SFAC 应用于传统多层薄膜OLED器件中，能实现最大36.6%的外量子效率（EQEmax）。在简化的厚膜器件中，2FTRZ-SFAC 依然能保持30.6% 的EQEmax。这种厚膜器件在结构极大简化的情况下，仍然能表现出与传统多层薄膜器件的电致发光性能相媲美，具有很高的应用潜力。
图1. A) TRZ-SFAC与 B) 2FTRZ-SFAC的分子结构。C) 2FTRZ-SFAC与 D) TRZ-SFAC的单晶结构。E) 2FTRZ-SFAC在晶体中的分子堆叠方式。
图2. A) 甲苯溶液（浓度10−5 M）和B) 掺杂膜（PPF 主体中掺杂浓度20 wt.%）的2FTRZ-SFAC与TRZ-SFAC光致发光光谱。C) 2FTRZ-SFAC和D) TRZ-SFAC在PPF主体中浓度20 wt.%时的温度依赖性瞬态光致发光衰减光谱。E) 2FTRZ-SFAC和F) TRZ-SFAC在PPF主体中浓度20 wt.%时的水平偶极取向测量结果。
2FTRZ-SFAC和TRZ-SFAC在甲苯溶液中都表现出480 nm的蓝光发射，但在掺杂薄膜中，2FTRZ-SFAC表现出更加蓝移的发射（492 nm），更小的最低单线态和最低三线态的能级差（0.07 eV）以及更高的水平偶极取向（92.5%）。结合温度依赖性瞬态光致发光衰减光谱，可以得出2FTRZ-SFAC 是一个典型的TADF材料（图 2）。
图3.20 wt.% 2FTRZ-SFAC单载流子器件在PPF 主体中的电流密度-电压曲线，其中发光层厚度为 A) 60 nm, B) 70 nm, C) 80 nm。20 wt.% TRZ-SFAC单载流子器件在PPF 主体中的电流密度-电压曲线，其中发光层厚度为 D) 60 nm, E) 70 nm, F) 80 nm。
为了进一步分析2FTRZ-SFAC 与TRZ-SFAC在简化厚膜器件中的应用潜力，作者对这两种材料的掺杂发光层的单载流子器件进行了制备和测试（图3）。结果表明，二苯并呋喃的引入对实现空穴和电子传输的平衡性有极大帮助，这使得2FTRZ-SFAC 在制备厚膜OLED 器件时能很好地实现平衡的载流子传输。
图4.A）OLED 器件功能材料的结构和能级图，B）OLED 器件功能材料的分子结构，C）在1000 cd m−2下测得的EL 光谱，D）亮度与电流密度随电压变化曲线，E）器件A1 和A2 在不同电压下的亮度与电流密度曲线。
为了探究2FTRZ-SFAC 与TRZ-SFAC 的EL性能差异，作者首先对这两个发光分子在传统多层薄膜器件中的性能进行了表征。结果如图 4所示，基于2FTRZ-SFAC 的器件A1 呈现出496 nm 的EL发光峰，相比于TRZ-SFAC 的器件A2 蓝移了8 nm。器件A1 的性能更为出色，最大亮度（Lmax）为38800 cd m–2，最大功率效率（PEmax），最大电流效率（CEmax）和EQEmax分别为98.0 lm W−1、93.5 cd A−1和36.6%。器件A1 的EQEmax优于器件A2（33.3%），这可以归因于2FTRZ-SFAC 比TRZ-SFAC 具有更高的光致发光量子产率和水平偶极取向。
图5.A）OLED 器件功能材料的结构和能级图，B）随电压变化的亮度与电流密度曲线，C）随电压变化的亮度与电流密度曲线，D）和 E）在1000 cd m−2下测得的EL 光谱，F）随电压变化的亮度与电流密度曲线，F）不同电压下的亮度与电流密度曲线。
此外，为了充分利用2FTRZ-SFAC 在掺杂薄膜中出色的双极性载流子传输，作者对这两个发光分子用简化的厚膜结构进行了表征。结果如图 5所示，两种材料的电致发光性能在发光层厚度为60 nm时性能最佳，其中2FTRZ-SFAC 的厚膜器件表现出更好的电致发光性能，启动电压为2.7 V，Lmax为53630 cd m–2，并且PEmax， CEmax和EQEmax分别高达87.9 lm W−1、79.0 cd A−1和30.6%。基于2FTRZ-SFAC的厚膜器件的EQEmax在目前所报道的厚膜器件文献中是最高的。
为了进一步降低厚膜器件的滚降，作者将原有的三氧化钼注入层更改为用PFI 改性的PEDOT: PSS层，其它功能层保持不变。改性后的空穴注入层拥有更低的功函数，这有利于空穴的注入。用PEDOT: PSS: PFI 作为空穴注入层的厚膜器件的EL性能与三氧化钼作为空穴注入层的类似，Lmax为22090 cd m–2，PEmax，CEmax和EQEmax分别为39.7 lm W−1、73.3 cd A−1和27.9%。但是，其在1000 cd m−2下的滚降仅有4.7%，远远低于传统多层器件和三氧化钼作为注入层的厚膜器件。
综上所述，这项工作开发了用于制备高性能厚膜器件的双极性天蓝光材料2FTRZ-SFAC。这个材料在传统多层器件中表现出优异的EL发光性能，并且在简化的厚膜器件中获得了创纪录的EQEmax，能与多层薄膜器件的性能相媲美，进一步地器件结构优化使厚膜器件获得了超低效率滚降。该研究内容以“Toward Robust Bipolar TADF Material for Fabricating High-Performance Thick-Layer OLEDs”为题发表在Advanced Functional Materials上。该工作的通讯作者为华南理工大学赵祖金教授，第一作者是华南理工大学博士研究生刘章山和博士研究生郭婷。该工作受到国家自然科学基金（U23A20594和22375066）和广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040003）的支持。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202517758
