四川大学Nat。Commun。n激发态助力高能级反系间窜越过程
本文来自微信公众号:X-MOLNews
高能级反系间窜越(hRISC)材料因能将高能级三线态激子(Tn,n 2)转化为单线态激子(Sm,m 1)而成为有机发光二极管(OLED)领域的研究热点。在该类材料中,要想实现快速的hRISC过程,Tn和Sm态之间不仅需要能级差(Δ E Tn-Sm)极小,还需具有大的自旋轨道耦合矩阵元(SOCME)。目前提升SOCME的主流策略是分别赋予Tn和Sm以局域激发态(LE)和电荷转移激发态(CT)态性质。但从本质上讲,LE态和CT态均为ππ*型激发态,而根据El-Sayed规则,3ππ* 1ππ*的hRISC过程是禁阻的,通常难于获得大的SOCME。而此问题的一个解决方案是开发在激发态时给体(D)和受体(A)单元能近乎正交的D-A型分子。事实上,这也是目前RISC-OLED材料最常用的构建策略。然而,即便D-A型分子的D、A单元在基态时能近乎正交,但其激发态的结构驰豫常会导致D、A单元间的二面角减小,加之D、A单元间的轨道重叠程度较小,很难赋予Tn Sm过程以较大的SOCME。
另一方面,根据El-Sayed规则,化合物的不同自旋多重度的ππ* nπ*的跃迁过程是允许的,原因是其存在"垂直轨道跳跃效应"。加之ππ* nπ*过程发生在同一结构单元上,致使这一跃迁通常具有很大的SOCME。不过遗憾的是,目前尚无研究工作尝试以nπ*激发态为自旋翻转中心来构建RISC-OLED材料。这可能是因为nπ*激子通常能量较高,在OLED中难以通过电注入直接产生可接近nπ*能级的高能量激子。
近日, 四川大学卢志云 教授(点击查看介绍)研究团队及合作者发现: 如能赋予分子以三线态通道的三线态-三线态湮灭(TTA)能力(即:T1 + T1 Tn + S0),则OLED中经电注入所产生的3ππ*型T1"冷"激子便可高效转化为高能量的3ππ*型Tn激子(能量甚至可超过4.0 eV);如若化合物同时还拥有与Tn接近的1nπ*能级,则可借助3ππ* 1nπ*的超快hRISC过程(SOCME: 接近10 cm-1; k hRISC: >109 s-1),将Tn激子有效转化为单重态激子,从而对OLED中的T1"冷"激子实现有效利用。实验结果表明:这一nπ*助力的TTA介导的hRISC过程的激子利用率可超过10%。
作者通过一个萘酰亚胺(NI)衍生物 TPANI 证实了上述结论。作者制备了基于 TPANI 的非掺杂OLED器件,发现尽管 TPANI 的光致发光量子效率仅为50.6%,但器件的最大外量子效率却能高达7.8%。结合光输出耦合效率测试结果,作者发现这一器件的最大激子利用率应至少不低于46.7%,这表明器件中存在三线态激子的利用途径。
随后作者借助亮度-电流密度( L-J )、磁电致发光(MEL)、瞬态电致发光(TrEL)等表征手段结合理论计算探究了这一器件中的三线态激子转化、利用机制。 L-J 、室温下的电流相关MEL及TrEL测试结果均表明:在 TPANI -OLED中存在着TTA参与的三线态激子利用过程。但变温MEL测试结果却显示,在 TPANI -OLED中存在"反常"的TTA温度效应:随着温度的升高,器件中的TTA过程不但未被削弱,反倒是逐渐增强。据此作者推断:在 TPANI -OLED的三线态激子利用途径中,不仅存在TTA过程,还存在着热活化过程。
通过光谱实验结合理论计算,作者排除了 TPANI -OLED中的三线态激子利用是源自于 T1 S1 的热活化RISC过程(ΔET1-S1= 0.56 eV)或是T1 + T1 S1 + S0的单线态通道TTA过程(2 ET1 > ES1)或是T2 S1 的hRISC过程(ΔET2-S1 ~0)。通过对TPANI的高能级单线态和三线态激发态的理论计算,作者发现:TPANI的T4 态与其T1态类似,也主要位于NI单元上,具有3ππ*性质,且其能级(3.35 eV)小于2 ET1(3.45 eV),故可通过T1 + T1 T4 + S0这一三线态TTA通道来高效生成高能量的T4 激子;而TPANI的S2 态也主要位于NI单元上,能级(3.45 eV)稍高于T4 能级,尤为重要的是,其具有1nπ*性质。作者随后通过瞬态吸收光谱测试,证实了TPANI在3.49 eV附近的确存在着一个主要位于NI单元上的3ππ*型Tn能级。
得益于3ππ* 1nπ*跃迁的极大的SOCME(9.66 cm-1),即便 T4 S2 这一过程需要吸热(ΔET4-S2 < 0),其khRISC仍能超过109 s-1。作者还通过TrEL测试,探究了在TPANI-OLED中的三线态激子的转化、利用的动力学过程,发现在这一器件中,这一nπ*助力的TTA介导的hRISC过程可为器件贡献至少超过10.1%的激子利用率。通过单晶分析,作者发现在TPANI晶体中的NI单元间存在明显的面-面堆积,这促使定域在NI单元上的T1 激子可发生快速的三线态扩散,从而有助于其在器件中发生有效的TTA过程。
总之,本文的研究结果表明:如能赋予hRISC-OLED材料以三线态通道TTA能力和合适能级的1nπ*型Sm激发态,则有望能借助TTA过程生成极高能量的Tn激子,从而开启3ππ* 1nπ*这一极为快速的hRISC通道,实现对器件中的 T1 "冷"激子的高效利用。这一研究工作有望能加深人们对三线态通道TTA过程的认知、唤醒人们对nπ*型激发态的关注,为开发高性能hRISC-OLED材料提供了新思路。
该研究成果近期发表在 Nat. Commun. 上,文章的第一作者是四川大学分析测试中心 罗艳菊 助理研究员,通讯作者分别是四川大学化学学院 卢志云 教授、常州大学 刘煜 教授、西南大学 陈平 副教授以及华南理工大学 苏仕健 教授。感谢国家自然科学基金委员会和四川省科技厅等的经费支持。
Ultra-fast triplet-triplet-annihilation-mediated high-lying reverse intersystem crossing triggered by participation of nπ*-featured excited states
Yanju Luo, Kai Zhang, Zhenming Ding, Ping Chen, Xiaomei Peng, Yihuan Zhao, Kuan Chen, Chuan Li, Xujun Zheng, Yan Huang, Xuemei Pu, Yu Liu, Shi-Jian Su, Xiandeng Hou, and Zhiyun Lu
Nat. Commun ., 2022 , 13 , 6892, DOI: 10.1038/s41467-022-34573-2
导师介绍
卢志云
https://www.x-mol.com/university/faculty/12784
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