ACS AMI┃等比例构象异构的共存：助力纯有机单分子实现白光

英文原题：Realizing Efficient Single Organic Molecular White Light-Emitting Diodes from Conformational Isomerization of Quinazoline-Based Emitters

通讯作者：张勇，哈尔滨工业大学；王鹰，中科院理化技术研究所

作者：Bowen Li, Zhiyi Li, Fengyun Guo, Jinsheng Song, Xi Jiang, Ying Wang, Shiyong Gao, Jinzhong Wang, Xinchang Pang, Liancheng Zhao, and Yong Zhang

单分子有机白光材料由于其出色的光谱稳定性和简单的器件制备工艺，近年来在基础科学领域和实际的照明应用中受到了广泛关注。其中，具有双构型的有机分子由于其电子构型和/或结构的显著差异，通常会同时表现出不同的光物理性质，比如实现不同波长的发射。但是该领域的研究仍处于起步阶段，对分子设计及其构效关系的理解非常有限，特别是光物理性质和构型变化之间的关系。近日，哈尔滨工业大学张勇教授团队联合中科院理化技术研究所王鹰研究员以苯基嘧啶（或喹唑啉，PQ）为受体单元、吩噻嗪（PTZ）为给体单元，通过中心苯环连接得到了两种具有双构型的D-π-A型分子，即2PQ-PTZ和4PQ-PTZ（图1a），其中2PQ-PTZ分子具有独特的等比例双构型特点，对于实现白光发射具有近乎理想的灵活性，将其应用于LED/OLED中，表现出优异的白光器件性能。

图1. （a）2PQ-PTZ和4PQ-PTZ的分子结构，（b-e）2PQ-PTZ的晶体结构

通过单晶X衍射分析，2PQ-PTZ的晶体结构中同时存在两种构型，一种其中心苯环与PTZ单元之间的二面角几乎为0，但存在一个80.5o的大弯曲角，简称为“准轴向”（“quasi-ax”）构型，而另外一种其中心苯环与PTZ之间的二面角为101.8o，简称为“准赤道”（“quasi-eq”）构型，且这两种构型形成层与层的精确堆积，以1:1的比例共存（图1b-e）。理论计算表明2PQ-PTZ单晶的两种构型基态势能相等。2PQ-PTZ在甲苯溶液中（图2a）和掺杂薄膜下（图2b）中均表现出双波长发射，通过对溶液浓度或者掺杂浓度的调控，均可以实现白光发射。此外，通过对“ax”和“eq”构型的能级以及瞬态光谱的研究发现，“ax”构型属于传统的荧光，在蓝色光发射区域；而“eq”构型具有热激活延迟荧光（TADF）特性，在橙色光区域；二者发射光谱的互补为实现高效白色OLED提供了可能性。

图2. （a）在甲苯溶液中吸收和发射光谱，（b）2PQ-PTZ掺杂在mCP中的发射光谱，（c）2PQ−PTZ两种构型“ax”和“eq”的发光过程及能级示意图，（d）2PQ-PTZ在掺杂膜中的瞬态光谱

采用一种简单的滴涂技术，将不同掺杂浓度2PQ-PTZ和PMMA薄膜均匀涂覆在市售蓝光LED芯片的表面，可获得CIE为（0.32, 0.34）和CRI为89.3的白光LED器件。另外，将其应用于OLED中，基于2PQ-PTZ的白色OLED，其器件外量子效率达到10.1%，这是迄今为止已报道的基于纯有机单分子白光发光材料的最高效率之一。同时为了充分利用“eq”构型的TADF特性，通过增加掺杂浓度，获得了一种基于2PQ-PTZ的高效橙色TADF OLED，其外量子效率可以达到25.0%（图3）。

图3.（a）白光OLED器件的CIE色坐标，（b）白光OLED器件的器件性能，（c）黄光OLED的EL光谱，（d）黄光OLED器件的器件性能

研究成果发表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。论文也得到了河南大学宋金生教授和郑州大学庞新厂教授的帮助。

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Realizing Efficient Single Organic Molecular White Light-Emitting Diodes from Conformational Isomerization of Quinazoline-Based Emitters

Bowen Li, Zhiyi Li, Fengyun Guo, Jinsheng Song, Xi Jiang, Ying Wang*, Shiyong Gao, Jinzhong Wang, Xinchang Pang, Liancheng Zhao, Yong Zhang*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 14233-14243, DOI: 10.1021/acsami.9b20162

Publication Date: February 27, 2020

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（本稿件来自ACS Publications）