南京邮电大学黄维/陈润锋&聊城大学王文军等人npj Flex Electron:具有三模式发射和高效能量转移的高性能全色余辉有机发光二极管

近期，具有断电后持续发光特性的余辉有机发光二极管（OLEDs）受到了广泛关注。然而，可用的有机余辉材料在电激发下较为稀缺，且器件性能较低。本研究报告了一系列高性能全彩余辉OLEDs，通过采用三模式余辉分子作为发光层，并在简化的厚层OLED结构中掺杂不同 荧光材料复合物实现。三模式余辉通过热激活激子释放和反向系间穿越将长寿命的超长室温磷光（OURTP）转化为磷光和荧光，显著提高了余辉效率。实验结果显示，三模式余辉OLEDs展现出蓝色至青色的余辉，寿命长达253毫秒，最大外部量子效率（EQE）为7.4%。掺杂荧光材料复合物后，通过从三模式余辉主体到荧光材料掺杂剂的高效能量转移，实现了高亮度和 高效能的绿色、黄色和红色余辉OLEDs，最大寿命为132毫秒，总EQE为24%，余辉EQE为3.6%，代表了余辉OLEDs迄今为止报道的最高效率。本研究为开发高性能余辉OLEDs开辟了令人兴奋的前景，利用有机半导体丰富的三重态激发态行为，推动先进光电应用和发光技术的发展。

二、研究背景

有机发光二极管（OLEDs）因其独特的轻质、柔性、宽色域和低功耗等优点，已成为显示和照明领域极具前景的技术。近年来，除了传统的瞬时电 致发光（EL）外，断电后仍能持续发光超过1秒（寿命>100毫秒）的余辉OLEDs逐渐吸引了越来越多的关注。这些余辉OLEDs利用室温磷光（RTP）或更精确的有机超长室温磷光（OURTP）材料的长寿命三重态激子，具有广泛的应用潜力，如应急和安全照明、可穿戴和夜间照明、装饰性或建筑集成显示以及时间温度指示器等。

RTP和OURTP材料依赖于异质/重原子的引入以及分子内/分子间相互作用来促进有效的系 间穿越（ISC），从而实现激子自旋从最低单重激发态（S₁）到最低三重激发态（T₁）的转变。尽管如此，由于T₁态激子的自旋禁阻辐射衰变，虽然有效延长了T₁的寿命，但通常伴随着较低的RTP效率。尽管如此，具有长寿命光致发光（PL）的独特纯有机RTP和OURTP材料在信息防伪、视觉持久显示、低功耗指示器和可穿戴光电子等 高级应用中也展现出了巨大潜力。

然而，要制造余辉OLEDs，需要能够在电激发后产生长寿命EL的有机余辉材料，并且这些材料必须具有半导体特性，以便在三明治结构器件中进行电子和空穴的注入、传输和复合，同时匹配前沿分子轨道能级。因此，同时要求余辉特性和半导体特性排除了许多有机发光材料，导致适用于余辉OLED发射 器的候选材料非常稀缺。

三、研究内容

为了开发高效的余辉OLEDs，本研究设想之前报道的三模式余辉机制将有所帮助。通过将与稳定T₁态的辐射跃迁相关的长寿命OURTP转化为延迟RTP（DRTP），并进一步通过有效的反向系间穿越（RISC）转化为延迟荧光（DF），可以显著促进余辉效率。通过合理调制激子捕获深度（ΔEₜᴅ）和单重-三重态能隙（ΔEₛₜ）至较低值，T₁→T₁的热激活激子释放（TAER）和T₁→S₁的RISC过程将在室温下显著促进，从而在OURTP、DRTP和DF中观察到余辉。

基于这一设想，本研究采用2,3,5,6-四(9H-咔唑基)苯腈（4CzBN）作为三模式余辉发射层，在简化的厚层OLED结构中实现了蓝色至青色的余辉OLEDs。进一步地，通过将绿色、黄色 和红色荧光材料复合物掺杂到余辉发射层中，利用从长寿命4CzBN主体到这些彩色掺杂剂的高效能量转移，实现了全彩余辉OLEDs。这些彩色器件展现出前所未有的余辉寿命和效率，代表了余辉OLEDs领域的重大突破。

四、结果讨论

三模式余辉行为

4CzBN分子在供体-受体（D-A）结构中，中心为苯腈，四个供体为咔唑基团，此前已被报道为典型的热激活延迟荧光 （TADF）分子，在稀释的2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）溶液中表现出蓝色发射和较小的ΔEₛₜ（0.19电子伏特）。然而，本研究发现，当4CzBN处于纯薄膜或高度掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中时，在室温下表现出可见的余辉发射。通过稳态光致发光（SSPL）和延迟PL光谱分析，揭示了4CzBN薄膜中存在三个不同的发射带，分别对应于S₁、T₁和T₁*态的辐射 衰变，即DF、DRTP和OURTP。

非掺杂三模式余辉OLEDs

受4CzBN在固体薄膜中独特三模式余辉行为的启发，本研究将其应用于余辉OLEDs中以实现余辉EL。通过构建具有不同厚度4CzBN发射层的厚层OLEDs，发现这些器件可以在低驱动电压下开启，并展现出优异的性能指标，包括最大亮度、最大电流密度、功率效率（PE）、电流效率（CE）、总EQE和余辉EQE等。特别是，通过优化 发射层厚度，实现了长达253毫秒的余辉寿命和7.4%的最大总EQE。

全彩余辉OLEDs

为了实现全彩余辉OLEDs，本研究选择了三种磷光Ir(III)复合物作为绿色、黄色和红色发射的掺杂剂，并将它们分别掺杂到4CzBN主体中。通过高效能量转移机制，包括Förster共振能量转移（FRET）和Dexter能量转移（DET），实现了从4CzBN主体到荧光材料掺杂剂的高效能量转移。最终，成功制备了绿色、黄色和红色全彩余辉OLEDs， 这些器件不仅展现出长余辉寿命（最高达132毫秒），而且实现了高总EQE（最高达24%）和余辉EQE（最高达3.6%），代表了余辉OLEDs领域的最高性能记录。

五、总体结论

本研究首次报道了常规TADF分子4CzBN在聚集态下展现出独特三模式余辉行为，其室温下的余辉PL量子产率（PLQY）为7.7%，寿命约为230毫秒。基于这一非凡的激子行为，本研究设计并制备了高性能蓝色至青色余辉OLEDs，采用 简化的厚层结构，非掺杂器件展现出优异的余辉EL性能，最大总EQE为7.4%，余辉EQE为1.10%，余辉寿命超过250毫秒。

进一步地，通过从青色余辉到绿色、黄色和红色掺杂剂的高效能量转移，实现了全彩余辉OLEDs。在这些彩色器件中，荧光材料分子有效捕获了激子能量 并继承了长寿命4CzBN激子的三模式余辉特性。这些彩色器件展现出创纪录的总EQE值（绿色、黄色和红色OLEDs分别为24%、22%和24%），代表了余辉OLEDs领域迄今为止报道的最高效率。同时，还识别出了高达3.6%的最大余辉EQE，突破了余辉OLEDs的效率极限。

这些进展基于新型三模式余辉机制，在设计高性能颜色可调有机余辉OLEDs方面展现出巨大潜力，为广泛的光电子应用（包括先进显示技术、信息加密、视觉 传感和下一代照明技术）开辟了令人兴奋的前景。

六、图文概览

图1、有机余辉机制：a RTP余辉，b TADF余辉，c HLCT-OURTP，d 通过激基复合物和e TIP发射的OLPL，f 三模式余辉。g 三模式余辉分子4CzBN和具有绿色、黄色和红色荧光材料金属掺杂剂的全彩厚层器件结构。

图2、4CzBN的三模式余辉行为。a 稀释2-MeTHF溶液中的归一化吸收（Abs.）和SS PL光谱以及78 K下的磷光（Phos.）光谱。b 4CzBN纯薄膜在N₂和O₂中的SSPL光谱。c 室温下的SSPL光谱和薄膜中的温度依赖性延迟PL光谱。d 温度依赖性延迟PL强度和e 三模式余辉峰的衰减曲线及寿命（插图）。f TD-DFT计算的单重和三重激发态能量及相应的SOC常数（cm⁻¹）。g 400-800 nm范围内的全光谱PL衰减曲线，以双对数形式呈现 ，时间范围从纳秒到毫秒，以及460、494和538 nm发射在不同时间尺度上的发射贡献。

图3、非掺杂厚层余辉OLEDs。a 器件结构，b 亮度-电流密度-电压，c EQE₍总₎-亮度曲线，d SSEL和延迟EL（延迟10毫秒）光谱及相应照片（插图），当施加电压（7 V）开启或关闭时，e EL衰减曲线（484、490和494 nm）及 寿命（插图），f 140 nm厚器件在78和298 K下的SSEL光谱以及在室温下从78 K加热5和10分钟后的低温延迟EL光谱。

图4、a 基于厚EML 4CzBN的三模式余辉EL机制。b SSPL和延迟PL（延迟10毫秒）光谱，c 在330 nm激发下，526、566和628 nm发射在掺杂1.0 wt% Ir(ppy)₂acac、Ir(bt )₂acac和Ir(piq)₂acac的4CzBN薄膜中的衰减曲线及寿命（插图）。d 实现全彩余辉EL的机制。

图5、高性能绿色、黄色和红色余辉OLEDs。a 器件结构，b SSEL和延迟EL（延迟10毫秒）光谱及相应照片（插图），当施加电压（7 V）开启或关闭时，c EL衰减曲线及使用7 V驱动电压测量的寿命（插图），d 亮度-电流密度-电压和e 效率-亮度曲线。

七、作者信息

作者姓名：

Dongyue Cui, Zhiwen Xu, Jing yu Zhang, Zhenli Guo, Peng Zhang, Chang Zeng, Shuhong Li, Yunlong Liu, Wenjun Wang*, Hailin Qiu, Chao Zheng, Wei Huang*, Runfeng Chen*

通讯作者及单位信息：

Wenjun Wang*，Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Communication Science and Technology, School of Physical Science and Information Technology, Liaocheng University, Shandong 252059, China

E-mail: phywwang@163.com

Wei Huang*，State Key Laboratory of Flexible Electronics (LoFE) & Institute of Advanced Materials (IAM), Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing, China Institute of Flexible Electronics (IFE), Northwestern Polytech

E-mail: iamwhuang@nwpu.edu.cn

Runfeng Chen*，State Key Laboratory of Flexible Electronics (LoFE) & Institute of Advanced Materials (IAM), Nanjing University of Posts & Telecommunications, 9 Wenyuan Road, Nanjing 210023, China

E-mail: iamrfchen@njupt.edu.cn

八、论文链接

https://doi.org/10.1038/s41528-026-00568-y

九、版权声明

本文来源各大出版社论文数据库，版权归文章出版社所有；本文内容采用AI辅助整理生成，如有错漏请私信联系；本文仅用于学术分享，转载 请注明出处；如需推广本人学术成果和商务合作请私信联系，若有错漏或侵权请私信联系删除或修改！

图文编辑：LSQ

图文审核：HMT