深圳大学杨楚罗、胡宇轩团队AM:四苯基硅烷后功能化修饰助力纯绿光MR-TADF材料实现性能全面突破

【研究背景】

随着超高清显示的发展，显示标准由现行的P3色域正迈向更广的BT.2020色域。其中绿光色坐标由（0.265，0.690）提高到（0.170，0.797）。实现该坐标不仅要求发射光谱具有精准的发光波长，同时还要满足极窄的半峰宽。多重共振热活化延迟荧光（MR-TADF）材料因其窄谱带与高激子利用率，被认为是实现超高清显示最理想的有机发光体系。近年来，通过调控分子共轭结构与外围取代基，构建的绿色MR-TADF体系在效率、色纯度等方面得到明显提升，但综合性能满足超高清显示的实际应用需求仍存在较大差距。研究焦点正从“能否实现纯绿发光”转变为“能否长期稳定高质量发光”。因此，如何在单一发光分子中同时实现高色纯度、高效率与长寿命，正成为下一代OLEDs显示材料亟待突破的核心问题。

图1：分子设计策略及分子结构

【内容简介】

近日，深圳大学杨楚罗、胡宇轩团队提出了一种四苯基硅烷（TPS）修饰与π共轭拓展协同的分子设计策略，构建了一系列性能优异的纯绿光MR-TADF材料。具体而言，在间位双硼骨架中嵌入二苯并呋喃（DBF）单元以缩小带隙将发射峰调控至绿光区域，同时在硼原子对位连接四面体型TPS基团，并精细调控TPS基团的连接位点优化空间构型，构建三维空间保护以抑制分子间相互作用。进一步对TPS基团进行氘代得到m-DBFSi-d，其中更强的C–D键与降低的零点能有效抑制分子振动及降解路径。所得材料发射峰位于515–517 nm，半峰宽小于15 nm。基于m-DBFSi与m-DBFSi-d的器件实现CIE_y = 0.76，逼近BT.2020绿光标准，最大外量子效率（EQE_max）超过40%，最大功率效率（PE_max）接近200 lm W^-1，并且基于m-DBFSi-d的器件在1000 cd m^-2下LT₈₀实现2491小时的器件寿命。本工作开发了一种简便高效的末端后功能化修饰策略。基于该策略构筑的OLED器件，在发光效率与色纯度方面均达到当前领先水平，同时器件寿命也得到显著提升，为开发适用于超高清显示的高性能发光材料提供了新思路与可行方案。

【图文解析】

图2：理论计算

【理论计算】

理论计算结果表明，引入TPS外围基团后，LUMO轻微延伸至与MR核心相连的TPS苯环上，导致能隙适度收缩，从而实现可控的红移。轨道分区定量分析表明，HOMO几乎完全局域于MR稠环骨架（约99.6%），LUMO亦主要集中于MR骨架区域（约89–91%），远端Ph₃Si基团对LUMO贡献极小（≤1.2%）。该轨道局域性源于四面体sp³-Si节点所形成的σ键中断效应，从而有效阻断跨键π离域扩展。在结构层面，TPS的三维构型兼具双重功能：既抑制π–π堆积并提升形貌与热稳定性，又通过体积庞大且化学惰性的取代基特征削弱Dexter能量转移，降低激子损耗并增强器件稳定性。

此外，三种分子均表现出较小RMSD与重组能，表明激发态势能面与基态高度相似，结构弛豫较小，有利于窄谱带发射。尤其是间位连接的TPS结构在m-DBFSi与m-DBFSi-d中表现出更低的RMSD与重组能，构建了更刚性的激发态结构环境。进一步的Huang–Rhys因子分析显示，m-DBFSi的总HR因子（Stotal = 3.66）低于p-DBFSi（5.02），而部分氘代后m-DBFSi-d进一步降至3.37，表明振动耦合显著减弱。振动模式投影分析表明，TPS的引入将振动活动转移至电子耦合较弱的外围区域，使弛豫主要进入低频模式，从而降低电子-振动耦合并抑制非辐射衰减。氘代通过将高频C–H振动模式转移至更低频的C–D振动，降低零点能，抑制激发态诱导的键断裂与化学降解，从而延长器件寿命。

综合RMSD/重组能、Huang–Rhys分析与振动矢量结果可知，间位连接TPS及其氘代协同构建了在不牺牲电子结构完整性的前提下增强了分子激发态稳定性，有效限制结构弛豫、削弱振动耦合，为实现窄谱带绿光发射、高Φ_PL及优异器件稳定性提供了理论支撑。

图3：光物理测试结果

图4：电致发光器件性能（非敏化器件）

【OLED器件性能】

器件性能方面，基于p-DBFSi、m-DBFSi和m-DBFSi-d的OLEDs均表现出极窄谱带纯绿电致发光，发射峰分别位于520 nm、517 nm和517 nm，对应半峰宽仅19 nm、17 nm和17 nm。其中，m-DBFSi与m-DBFSi-d器件跻身当前底发射纯绿OLEDs最窄谱带行列，CIE坐标分别为（0.15, 0.76）和（0.14, 0.76），逼近BT.2020纯绿标准，展现出极高的色纯度。并且EQE_max分别达到40.1%和41.9%，PE_max接近200 lm W^-1，综合性能刷新了纯绿光MR-TADF OLED的效率纪录。

在运行稳定性方面，器件寿命呈现由p-DBFSi到m-DBFSi再到m-DBFSi-d逐步提升的趋势。在1000 cd m^-2初始亮度下，LT₅₀分别达到299 h、371 h和450 h，均超过已报道的基于间位双硼骨架的绿光二元器件。进一步引入磷光敏化剂Ir(ppy)₃构建三元敏化OLEDs后，器件在保持窄带纯绿发射（FWHM 18-20 nm）的同时，显著抑制效率滚降，器件稳定性显著提升。在1000 cd m^-2下，LT₈₀进一步提升至1421 h、2006 h 和 2491 h，展现出优异的运行稳定性。电化学循环与光照老化测试表明，m-DBFSi-d具有最优的氧化还原与光稳定性，其增强的键能与氘代带来的同位素效应有效抑制高频振动与键断裂过程，从分子层面提升了器件耐久性。

图5：电致发光器件性能(敏化器件)

总体而言，TPS末端功能化与部分氘代协同优化了分子间相互作用与骨架稳定性，实现了“高色纯度—高效率—长寿命”的兼顾，为下一代超高清显示的OLED发光材料设计提供了清晰而有效的分子设计策略。

深圳大学材料学院博士研究生薛追星为论文第一作者，深圳大学杨楚罗讲席教授和胡宇轩助理教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究基金委员会、深圳市科技创新委员会的大力支持。

【作者简介】

杨楚罗：深圳大学讲席教授，深圳市新型信息显示与存储材料重点实验室主任。国家杰出青年基金获得者、全国百篇优秀博士论文指导教师，英国皇家化学会会士。主要研究方向为有机高分子光电功能材料及器件研究，在化学、材料及交叉领域的期刊上发表SCI学术论文600余篇，包括Nat. Photonics, Nat. Commun., Sci. Adv., Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy. Environ. Sci.等期刊，论文他引30000余次，连续五年入选Clarivate（科睿唯安）和Elsevier（爱思唯尔）全球高被引学者名单；申请发明专利 50 余项，其中授权发明专利40余项。曾获湖北省自然科学奖一等奖 （2008、2015）、广东省自然科学奖二等奖（2022）、深圳市自然科学奖二等奖（2022）等奖项。

胡宇轩：深圳大学材料学院助理教授，特聘副研究员，硕士生导师。博士毕业于华中师范大学，2020年-2024年先后在深圳大学、香港大学从事博士后研究，2025年1月正式加入深圳大学材料学院任职至今，主要研究方向为有机光电功能材料与器件。主持科研基金项目五项，发表SCI论文20余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nature Photonics, Advanced Materials, Angew. Chem. Int. Ed. (4), Chemical Science, Inorganic Chemistry Frontiers等国际期刊发表论文10余篇，申请中国发明专利五项，获授权两项。

论文信息：

Tetraphenylsilane-Engineered MR-TADF Emitters for Pure-Green OLEDs with High-Efficiency, Long Lifetime, and Gamut Close to BT.2020 Standard

Zhuixing Xue, Yuxuan Hu*, Zhiyi Chen, Xiudan Zhang, Jingsheng Miao, Chuluo Yang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.72684

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Advanced Materials

期刊简介

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