Китайская команда разработала молекулярную систему пирен-имидазол для достижения эффективности 13,22% в глубоких синих OLED

Репортаж от Wedoany，Китайские исследователи под руководством Ин Фу разработали структурно регулируемую молекулярную систему пирен-имидазол, которая благодаря точной инженерии возбуждённых состояний улучшила электролюминесцентные характеристики глубоких синих органических светодиодов (OLED). В рамках данного исследования, не вводя новые молекулярные скелеты, была применена стратегия регулировки положения связи в донорно-π-акцепторной структуре. Были синтезированы и напрямую сравнены изомеры с пара-связью p-PyI-PBO и мета-связью m-PyI-PBO, имеющие одинаковые донорные и акцепторные блоки. Это позволило установить чёткую взаимосвязь между структурой, фотофизическими свойствами и характеристиками устройств, а также прояснить влияние положения связи на молекулярную конформацию, баланс локального возбуждения/переноса заряда (LE/CT), свойства HLCT и эффективность использования экситонов.

Теоретические расчёты показали, что p-PyI-PBO демонстрирует смешанные LE/CT характеристики в состояниях T₃ и T₄, с энергетическими зазорами S₁–T₃ 0,12 эВ и S₁–T₄ 0,16 эВ; в то время как m-PyI-PBO проявляет HLCT свойства в состоянии T₂ с меньшим зазором S₁–T₂ 0,09 эВ, что указывает на более благоприятный канал обратной интеркомбинационной конверсии (RISC). Анализ спин-орбитальной связи (SOC) подтвердил эти выводы: для p-PyI-PBO значения ⟨T₃|ĤSOC|S₁⟩ составили 0,1204 см⁻¹, а ⟨T₄|ĤSOC|S₁⟩ — 0,0860 см⁻¹; для m-PyI-PBO значение ⟨T₂|ĤSOC|S₁⟩ составило 0,1308 см⁻¹, что свидетельствует о более сильной синглет-триплетной связи. В то же время, большие энергетические зазоры S₁–T₁ (около 0,64–0,91 эВ) эффективно исключают традиционный механизм термически активированной замедленной флуоресценции (TADF).

Измерения фемтосекундной переходной абсорбции (fs-TA) с длиной волны возбуждения 320 нм выявили кинетические процессы m-PyI-PBO в растворе: сигнал выцветания основного состояния наблюдался в диапазоне 320–370 нм, сигнал вынужденного излучения из S₁ — в диапазоне 400–460 нм, а сигнал поглощения возбуждённого состояния — выше 460 нм, что подтверждает доминирование кинетики состояния S₁. Анализ кинетики на длине волны 544 нм выявил две компоненты затухания: τ₁ = 8,97 пс, связанная со сверхбыстрой релаксацией возбуждённого состояния, и τ₂ = 4,09 нс, соответствующая затуханию флуоресценции. Переходные характеристики в диапазоне 560–600 нм указывают на существование более высоких возбуждённых состояний, возможно, связанных с быстрой интеркомбинационной конверсией S₁→Tₙ или синглет-триплетным равновесием, что подтверждает, что излучение в основном происходит из непосредственно заселённых синглетных состояний с HLCT свойствами.

В тестах устройств нелегированный OLED на основе m-PyI-PBO достиг максимальной внешней квантовой эффективности (EQE) 9,52%, демонстрируя глубокое синее излучение и минимальное падение эффективности при высокой яркости. Производительность легированного устройства была дополнительно улучшена: максимальная EQE достигла 13,22%, координаты цветности CIE для глубокого синего составили (0,16; 0,06), эффективность использования экситонов — около 79,7%, а также наблюдалась предпочтительная горизонтальная ориентация диполей.

Исследователи отметили, что этот результат является важным достижением в области люминесцентных материалов на основе пирен-имидазола (PyI) без расширения π-сопряжения или введения эффекта тяжёлых атомов. Данное исследование подчёркивает эффективность точной регулировки положения связи для активации ранее неиспользованных путей возбуждённых состояний. Реализуя термически активированное преобразование триплетов в синглеты при сохранении чистоты глубокого синего цвета и стабильности устройств, эта стратегия предлагает обобщаемый метод молекулярного дизайна для высокоэффективных глубоких синих флуоресцентных OLED.