DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56923-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39952979
تاريخ النشر: 2025-02-14
المؤلف: Letian Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الصمامات العضوية الباعثة للضوء
نظرة عامة
إن تطوير ثنائيات الباعث العضوي المنبعث للضوء المستقطب دائريًا (CP-OLEDs) التي تحقق كل من انبعاث الطيف الضيق وكفاءة الإضاءة الكهربائية العالية (EL) يمثل تحديات كبيرة. تقدم هذه الدراسة زوجين من المواد الفعالة المستقطبة دائريًا التي تنشط حراريًا وتؤخر الفلورية (CP-TADF) والتي تتميز بعوائد كمية فوتولومينيسية عالية، وأوقات حياة فلورية متأخرة قصيرة، وعوامل عدم تماثل مضيئة ملائمة، ونسب ثنائية قطبية أفقية كبيرة. تعمل هذه المواد كمنبعثات لثنائيات الباعث العضوي المنبعث للضوء المستقطب دائريًا باللون الأزرق السماوي بكفاءة كمية خارجية قصوى ($\eta_{\text{ext,max}}$) تبلغ 33.8% وعوامل عدم تماثل جيدة للإضاءة الكهربائية ($g_{\text{EL}}$) تبلغ -2.64 × 10⁻³. علاوة على ذلك، تعمل كمواد حساسة لمنبعثات TADF متعددة الرنين غير المتجانسة، مما يؤدي إلى ثنائيات الباعث العضوي المنبعث للضوء المستقطب دائريًا باللون الأزرق والأخضر ذات الأداء العالي مع CP-EL ذو الطيف الضيق وكفاءة كمية خارجية قصوى $\eta_{\text{ext,max}}$ تبلغ 31.4%.
من الجدير بالذكر أن هذه الأبحاث تمثل أول تصنيع لثنائيات الباعث العضوي المنبعث للضوء المستقطب دائريًا من نوع HF باستخدام مواد حساسة CP-TADF إلى جانب منبعثات MR-TADF غير المتجانسة، والتي تنتج CP-EL ذو الطيف الضيق مع كفاءة كمية خارجية قصوى استثنائية $\eta_{\text{ext,max}}$ تبلغ 51.3% و $g_{\text{EL}}$ جيدة تبلغ 4.87 × 10⁻³. يُعزى توليد CP-EL الفعال من منبعثات MR-TADF غير المتجانسة إلى نقل الطاقة المستقطب دائريًا وتأثيرات اختيار الدوران الناتجة عن الكيرالية لمواد CP-TADF الحساسة. لا تعزز هذه الدراسة فقط فهم المواد CP-TADF الفعالة ولكنها تقدم أيضًا طريقة بسيطة لبناء HF CP-OLEDs مع منبعثات MR-TADF غير المتجانسة، مما يبرز التطبيقات المحتملة للضوء المستقطب دائريًا في مجالات مختلفة مثل العروض ثلاثية الأبعاد، وتشفير المعلومات، والحوسبة الكمومية.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة للتحقيق في خصائص الفلورية الضوئية (PL) والإضاءة الكهربائية (EL). تم الحصول على جميع المواد الكيميائية والمواد المساعدة تجاريًا واستخدامها دون تنقية، حيث تم إخضاع المنتجات النهائية للتسامي تحت الفراغ لتعزيز النقاء قبل التحليل. تم استخدام تقنيات طيفية متنوعة، بما في ذلك طيف الرنين المغناطيسي النووي ^1H و ^13C على مطياف Bruker AV 500، وطيف الكتلة عالي الدقة (HRMS) باستخدام مطياف الكتلة Agilent 1290/Bruker maXis impact، وبيانات حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة التي تم جمعها عند 173 كلفن على مطياف Bruker-Nonices Smart Apex CCD.
تم إجراء قياسات الجهد الدوري في نظام ثلاثي الأقطاب لتحديد مستويات الطاقة لأعلى مدار جزيئي مشغول (HOMO) وأدنى مدار جزيئي غير مشغول (LUMO)، تم حسابها كالتالي: HOMO = -[E_{ox} + 4.8] eV و LUMO = -[E_{re} + 4.8] eV، حيث تشير \(E_{ox}\) و \(E_{re}\) إلى إمكانات الأكسدة والتقليل. شملت القياسات الإضافية طيف امتصاص UV-vis على مطياف Shimadzu UV-2600، وطيف PL على مطياف Horiba Fluoromax-4، وعوائد الفلورية الكمية التي تم تقييمها باستخدام مطياف عوائد PL الكمية المطلقة من Hamamatsu. تم تسجيل طيف الانكسار الدائري (CD) وطيف PL المستقطب دائريًا (CP-PL) وEL (CP-EL) لمزيد من توصيف الخصائص البصرية، مع ملاحظة التناسق في ملفات CP-PL وCP-EL عند الدوران.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل المطبق يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، يتم قياسه بواسطة مقاييس مثل حجم التأثير وقيم p، والتي تم الإبلاغ عنها كـ $p < 0.05$. بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، توضح الاتجاهات والأنماط التي تدعم الفرضيات المطروحة في المقدمة. يتم وضع النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مما يبرز آثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية الطريقة المقترحة وتساهم بأفكار قيمة في النقاش المستمر.
المناقشة
تظهر المواد CP-TADF التي تم تصنيعها، (R/S)-OBN-XT-SXAC و(R/S)-OBN-XT-SFAC، خصائص هيكلية وإلكترونية كبيرة تعزز الفلورية المتأخرة المنشطة حراريًا (TADF). أكدت التوصيفات من خلال NMR، وطيف الكتلة، وحيود الأشعة السينية على تشكيلاتها الملتوية، التي تعزز الفصل المكاني لأعلى مدار جزيئي مشغول (HOMOs) وأدنى مدار جزيئي غير مشغول (LUMOs). تشير الحسابات النظرية إلى قيم انقسام طاقة صغيرة (ΔE_ST) تبلغ 0.017 eV و0.016 eV لـ (R)-OBN-XT-SXAC و(R)-OBN-XT-SFAC، على التوالي، مما يسهل عملية الانتقال العكسي بين الأنظمة (RISC). تظهر المواد كفاءات كمية فوتولومينيسية عالية (Φ_PL) تبلغ 77% و78%، مع أوقات حياة فلورية متأخرة قصيرة (~1.2 µs)، مما يشير إلى كبح فعال لتقليل الانبعاث.
في تطبيقات الأجهزة، تحقق كل من (R)- و(S)-الإنانتيومرات لهذه المواد CP-TADF أداءً مثيرًا للإعجاب في الإضاءة الكهربائية (EL) في ثنائيات الباعث العضوي المنبعث للضوء المستقطب دائريًا (CP-OLEDs)، مع كفاءات تيار قصوى (η_c,max) تبلغ 86.7 و94.5 cd A⁻¹، وكفاءات كمية خارجية (η_ext,max) تتجاوز 30%. تحافظ الأجهزة على انبعاث قوي مستقطب دائريًا مع قيم g_EL تتراوح من -2.64 × 10⁻³ إلى 2.35 × 10⁻³. من الجدير بالذكر أن التكوينات المتسلسلة لهذه CP-OLEDs تعزز السطوع والكفاءة مع الحفاظ على إشارات CP-EL، مما يشير إلى أن الهيكل المتسلسل قد يحسن بدلاً من تقليل استقطاب الضوء المنبعث. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانيات مواد CP-TADF كمواد حساسة فعالة لمنبعثات MR-TADF ذات الطيف الضيق، مما يمهد الطريق لتطبيقات OLED عالية الأداء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56923-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39952979
Publication Date: 2025-02-14
Author(s): Letian Chen et al.
Primary Topic: Organic Light-Emitting Diodes Research
Overview
The development of circularly polarized organic light-emitting diodes (CP-OLEDs) that achieve both narrow-spectrum emission and high electroluminescence (EL) efficiency presents significant challenges. This study introduces two pairs of efficient circularly polarized thermally activated delayed fluorescence (CP-TADF) materials characterized by high photoluminescence quantum yields, short delayed fluorescence lifetimes, favorable luminescence dissymmetry factors, and substantial horizontal dipole ratios. These materials serve as emitters for efficient sky-blue CP-OLEDs, achieving maximum external quantum efficiencies ($\eta_{\text{ext,max}}$) of 33.8% and good EL dissymmetry factors ($g_{\text{EL}}$) of -2.64 × 10⁻³. Furthermore, they act as sensitizers for achiral multi-resonance (MR) TADF emitters, leading to high-performance blue and green hyperfluorescence (HF) CP-OLEDs with intense narrow-spectrum CP-EL and $\eta_{\text{ext,max}}$ of 31.4%.
Notably, this research marks the first fabrication of tandem HF CP-OLEDs utilizing CP-TADF sensitizers alongside achiral MR-TADF emitters, which produce narrow-spectrum CP-EL with an exceptional $\eta_{\text{ext,max}}$ of 51.3% and good $g_{\text{EL}}$ of 4.87 × 10⁻³. The efficient CP-EL generation from achiral MR-TADF emitters is attributed to the circularly polarized energy transfer and chirality-induced spin selectivity effects of the CP-TADF sensitizers. This work not only advances the understanding of efficient CP-TADF materials but also offers a straightforward method for constructing HF CP-OLEDs with achiral MR-TADF emitters, highlighting the potential applications of circularly polarized light in various fields such as 3D displays, information encryption, and quantum computing.
Methods
In this section, the methods employed for the investigation of photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL) properties are detailed. All chemicals and reagents were sourced commercially and utilized without purification, with final products subjected to vacuum sublimation to enhance purity prior to analysis. Various spectroscopic techniques were employed, including ^1H and ^13C NMR spectroscopy on a Bruker AV 500 spectrometer, high-resolution mass spectrometry (HRMS) using an Agilent 1290/Bruker maXis impact mass spectrometer, and single crystal X-ray diffraction data collected at 173 K on a Bruker-Nonices Smart Apex CCD diffractometer.
Cyclic voltammetry was performed in a three-electrode system to ascertain the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy levels, calculated as HOMO = -[E_{ox} + 4.8] eV and LUMO = -[E_{re} + 4.8] eV, where \(E_{ox}\) and \(E_{re}\) denote the onset oxidation and reduction potentials, respectively. Additional measurements included UV-vis absorption spectra on a Shimadzu UV-2600 spectrophotometer, PL spectra on a Horiba Fluoromax-4 spectrofluorometer, and fluorescence quantum yields assessed using a Hamamatsu absolute PL quantum yield spectrometer. Circular dichroism (CD) and circularly polarized PL (CP-PL) and EL (CP-EL) spectra were recorded to further characterize the optical properties, with consistency observed in the CP-PL and CP-EL profiles upon rotation.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the intervention applied leads to a measurable improvement in the outcomes, quantified by metrics such as effect size and p-values, which are reported as $p < 0.05$. Additionally, the section includes graphical representations of the data, illustrating trends and patterns that support the hypotheses posited in the introduction. The findings are further contextualized within the existing literature, highlighting their implications for future research and practical applications in the relevant field. Overall, the results underscore the effectiveness of the proposed method and contribute valuable insights to the ongoing discourse.
Discussion
The synthesized CP-TADF materials, (R/S)-OBN-XT-SXAC and (R/S)-OBN-XT-SFAC, exhibit significant structural and electronic characteristics conducive to thermally activated delayed fluorescence (TADF). Characterization through NMR, mass spectrometry, and X-ray diffraction confirmed their twisted conformations, which promote the spatial separation of the highest occupied molecular orbitals (HOMOs) and lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs). Theoretical calculations indicate small energy splitting (ΔE_ST) values of 0.017 eV and 0.016 eV for (R)-OBN-XT-SXAC and (R)-OBN-XT-SFAC, respectively, facilitating the reverse intersystem crossing (RISC) process. The materials demonstrate high photoluminescence quantum efficiencies (Φ_PL) of 77% and 78%, with short delayed fluorescence lifetimes (~1.2 µs), indicating effective suppression of emission quenching.
In device applications, both (R)- and (S)-enantiomers of these CP-TADF materials achieve impressive electroluminescence (EL) performance in circularly polarized OLEDs (CP-OLEDs), with maximum current efficiencies (η_c,max) of 86.7 and 94.5 cd A⁻¹, and external quantum efficiencies (η_ext,max) exceeding 30%. The devices maintain strong circularly polarized emission with g_EL values ranging from -2.64 × 10⁻³ to 2.35 × 10⁻³. Notably, tandem configurations of these CP-OLEDs enhance luminance and efficiency while preserving CP-EL signals, suggesting that the tandem structure may improve rather than diminish the polarization of emitted light. Overall, these findings underscore the potential of CP-TADF materials as effective sensitizers for narrow-spectrum MR-TADF emitters, paving the way for high-performance OLED applications.