通过荧光增敏策略实现高效磷光OLED的双核主机工程

《Dyes and Pigments》：Dual Core Host Engineering for High Efficiency Phosphorescent OLED Through Phosphor Sensitized Phosphorescence Strategy

溶液加工磷光敏化磷光OLED的高效实现依赖于新型双核宿主材料O2mCP，其高玻璃化转变温度（>100℃）和稳定薄膜形态有效抑制了激子淬灭，结合高单重（>3.0 eV）和三重能量实现22.0%的最大外量子效率及2.6±0.2 V的低开启电压，效率较对照组提升七倍。

　　

Xingyue Dong|Qiwei Dong|Qinyu Zhu|Kyungwoo Jeong|Zhenyu Pan|Shunyi Yang|Weiguo Zhu|Lei Hua|Jun Yeob Lee|Yafei Wang

材料科学与工程学院，江苏省光伏科学与工程协同创新中心，常州市光电热能转换材料与应用工程实验室，中国常州213164

摘要

通过使用具有高玻璃化转变温度（Tg）和稳定薄膜形态的宿主材料来实现高效溶液处理的荧光有机发光二极管（OLED）仍然较为罕见。在本文中，提出了一种双核宿主工程方法，使用O2mCP作为宿主材料，该材料含有两个通过醚键连接的1,3-双（N-咔唑基）苯基团。令人印象深刻的是，O2mCP不仅具有超过100°C的高Tg，还具有超过3.0 eV的高单重态和三重态能量。将O2mCP作为宿主材料应用于溶液处理的荧光敏化磷光（PSP）OLED中，实现了22.0%的最大外部量子效率，并且开启电压低至2.6 ± 0.2 V。与对照器件相比，O2mCP和PSP器件结构的组合使效率提高了七倍。这项研究为设计高效溶液处理PSP OLED的宿主材料提供了一种新的策略。

引言

有机发光二极管（OLED）由于其主动发光能力、灵活性、宽视角和色域等优点，已成为显示技术的关键和热门选择[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。自Tang等人首次报道以来[1]，在过去几十年中，OLED材料和器件取得了很大进展[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]，现在OLED技术已广泛应用于商业显示产品[14]、[15]、[16]、[17]。根据发光机制，OLED通常分为三代：传统荧光发射体（第一代）[16]、荧光发射体（第二代）[2]、[18]、[19]和热激活延迟荧光发射体（第三代）[4]、[20]、[21]。与传统荧光和TADF发射体相比，荧光发射体成为商业OLED产品最重要的候选材料，因为它们既能捕获单重态激子也能捕获三重态激子，从而实现理论上的100%内部量子效率（IQE）[22]、[23]。

迄今为止，学术界和工业界的研究人员已经广泛探索了许多荧光材料。然而，它们相对较长的激子寿命容易导致三重态-三重态湮灭（TTA）和浓度淬灭，这会影响器件的寿命和效率[24]、[25]、[26]。为了解决这个问题，通常采用宿主-客体掺杂策略用于荧光OLED[27]、[28]、[29]，这不仅可以抑制分子间相互作用，还可以实现宿主基质和终端发射体之间的有效能量转移。在过去几十年中，宿主材料与发射体一起取得了显著的发展。根据它们的电荷传输特性和激子利用机制，宿主材料通常可以分为不同的类别，包括空穴传输宿主、电子传输宿主、双极宿主和热激活延迟荧光（TADF）宿主。为了确保高器件性能，特别是在简化架构中，宿主材料必须严格调控发射层内的载流子传输、激子形成和能量转移过程[30]、[31]、[32]。因此，探索新型分子骨架和合理的设计策略对于开发新型荧光OLED宿主材料至关重要，这也是推动这一领域发展的重要动力之一[33]。

我们知道，宿主材料应满足以下要求：(1) 高三重态（T1）能量（> 2.7 eV），以确保从宿主基质到掺杂剂的有效能量转移；(2) 最高的占据分子轨道（HOMO）和最低的未占据分子轨道（LUMO）能级，以便从电荷传输层高效注入载流子到发射层；(3) 良好的成膜性能、热稳定性、化学稳定性和高玻璃化转变温度（Tg）；(4) 平衡的载流子传输能力，以实现宽的电荷复合区域[34]、[35]、[36]、[37]。通常，咔唑衍生物因其高效的空穴传输能力、相对较深的HOMO值以及单重态（S1）和T1态的高能量而被广泛用作荧光OLED的宿主材料[38]、[39]、[40]、[41]。2003年，Forrest等人开发了1,3-双（N-咔唑基）苯（mCP）作为蓝色荧光器件的宿主材料，实现了7.5%的最大外部量子效率（EQEmax）[28]、[42]、[43]。由于其简单的制备方法和分子结构，mCP已成为荧光器件的流行宿主基质，也表现出优异的性能。不幸的是，mCP的玻璃化转变温度（Tg）较低，仅为60°C[44]、[45]、[46]，同时热稳定性差和成膜性能不佳[46]，这大大限制了其在OLED中的应用。特别是，mCP的低Tg使其难以用于溶液处理的OLED，因为在热处理过程中会发生结晶。因此，开发基于mCP的新型宿主基质对于溶液处理的荧光OLED仍然非常重要。

在本文中，提出了一种新型的宿主材料O2mCP，作为一种热稳定的宿主材料用于溶液处理的荧光OLED，其中两个mCP骨架通过醚键连接。在这种分子中，氧原子用于中断分子共轭，从而在牺牲原型mCP的HOMO/LUMO能级的代价下提高三重态能量水平。同时，扭曲的分子构型有助于抑制分子聚集。因此，使用O2mCP作为宿主材料时，基于PO-01的荧光器件的EQE仅为8.3%。为了解决低EQE的问题，开发了一种使用铱配合物作为敏化剂的荧光敏化磷光OLED（PSP-OLED），其表现出良好的性能，开启电压（Von）为2.6 ± 0.2 eV，EQE为22.0%，且效率下降极小。这项工作表明，基于双核的O2mCP宿主和PSP-OLED架构的结合有效提升了溶液处理荧光OLED的器件性能。

合成、表征和电化学性质

O2mCP化合物的合成路线如图1a所示。从市售的1,3-二溴-5-氟苯开始，在Cs2CO3存在下，通过亲核取代反应在二甲基亚胺（DMF）溶液中获得了前体5,5'-氧二(1,3-二溴苯)。随后，在钯催化剂的存在下，将溴化化合物与咔唑进行Ullman偶联反应，得到目标产物O2mCP。O2mCP的化学结构为

结论

总之，通过双核宿主工程制备了新型宿主材料O2mCP。这种分子策略使宿主材料同时具有高Tg和S1及T1能量。晶体结构显示的扭曲几何形状在溶液涂层后对稳定薄膜形态起着关键作用。使用O2mCP作为宿主基质，溶液处理的PSP OLED表现出最佳性能，EQEmax为22%

CRediT作者贡献声明

Lei Hua：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。 Weiguo Zhu：指导，资金获取。 Shunyi Yang：指导，资金获取，概念构思。 Zhenyu Pan：数据管理。 Yafei Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，概念构思。 Jun Yeob Lee：撰写 – 审稿与编辑，指导，概念构思。 Kyungwoo Jeong：方法学，正式分析。

实验部分

所有其他表征数据、原始光谱等应提供在支持信息中。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

数据可用性

作者声明支持本研究发现的所有数据均可在本文和支持信息文件中找到。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22371020、52411540231、22405027）、江苏省高等教育机构自然科学基金（24KJB150003）、常州市国际合作基金会（CZ20250018）和常州市科技计划（CJ20241082）的财政支持。