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Jul 19, 2023

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Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7644 (2023) Diesen Artikel zitieren 1947 Zugriff auf 2 Altmetric Metrics-Details Eine beträchtliche Vielfalt an Donor-Akzeptor-Kombinationen (D–A) bietet das Potenzial

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7644 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine beträchtliche Vielfalt an Donor-Akzeptor-Kombinationen (D–A) bietet das Potenzial für die Realisierung hocheffizienter thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenzmaterialien (TADF). Multiple D-A-Verbindungen gehören hinsichtlich Stabilität und Effizienz zu den vielversprechenden Familien von TADF-Materialien. Diese Emitter bestehen jedoch immer aus Carbazol-basierten Donoren, obwohl in linear verknüpften einzelnen D-A-Molekülen eine große Auswahl an Einheiten verwendet wird. Hier haben wir eine TADF-Verbindung vom Mehrfach-D-A-Typ mit zwei unterschiedlichen Donoreinheiten aus 9,10-Dihydro-9,9-dimethylacridin (DMAC) und Carbazol als Heterodonor-Design entwickelt. Der neue Emitter weist unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich polarer Medienmischung und hohen Konzentrationen, eine hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY) auf. Organische Leuchtdioden (OLEDs) zeigten eine relativ hohe externe Quanteneffizienz (EQE). Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass die Moleküle mit mehreren D-A-Typen eine bessere Photostabilität aufweisen als die Moleküle mit einem D-A-Typ, während die Betriebsstabilität in OLEDs von anderen Faktoren abhängt.

Thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF) hat sich als Emitter der dritten Generation in organischen Leuchtdioden (OLEDs) herausgestellt, der die Gewinnung von Singulett- und Triplett-Exzitonen durch Reverse Intersystem Crossing (RISC) ermöglicht, was zu einer internen Quanteneffizienz (IQE) von 100 % führt )1. Dieses Phänomen tritt bei Raumtemperatur aufgrund einer kleinen Single-Triplett-Energielücke (ΔEST) zwischen den niedrigsten angeregten Singulett- und Triplett-Zuständen (S1 und T1) auf, die durch räumliche Trennung des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) und des niedrigsten erreicht werden kann unbesetztes Molekülorbital (LUMO). Somit basiert das einzigartige molekulare Design von TADF-Emittern auf verschiedenen Arten von Donor- (D) und Akzeptor-Einheiten (A)2,3,4,5. Das jüngste Interesse am Forschungsgebiet TADF bezieht sich auf die Kontrolle von Geschwindigkeitskonstanten, beispielsweise die Maximierung der RISC-Rate (kRISC)6,7,8,9,10,11,12,13,14. Der schnelle kRISC kann langlebige Triplett-Exzitonen reduzieren, was zu geringeren Exzitonenverlusten und einem Effizienzabfall beitragen würde15,16. Da fluoreszierende Emitter im Allgemeinen eine bessere Stabilität aufweisen als Phosphoreszenz- und TADF-Emitter mit hochenergetischen Triplett-Exzitonen, ist ein weiterer erwarteter Vorteil des schnellen kRISC die Verbesserung der Gerätehaltbarkeit, die bei den Anwendungen von TADF seit langem ein ernstes Problem darstellt17,18 ,19,20. Die Zusammenhänge zwischen Gerätehaltbarkeit, kRISC und molekularen Strukturen wurden jedoch nicht umfassend verstanden. Beispielsweise erreichte eine Reihe von Verbindungen mit Carbazol-Donoren und Benzonitril-Akzeptoren, dargestellt durch 4CzIPN, trotz mäßig schnellem kRISC (~ 106 s−1) zufriedenstellend hohe Stabilitäten1,21. Aus Sicht der chemischen Struktur ermöglichen die mehreren Donoreinheiten nicht nur eine Variation der D-A-Wechselwirkungen und der Stärke des Ladungstransfers (CT), sondern auch der intramolekularen π-π-Wechselwirkungen und des Delokalisierungseffekts, die möglicherweise mit der hohen Stabilität verbunden sind . Darüber hinaus könnte die Hetero-Donor-Strategie, die zweite Donor-Einheiten einführt, neben den photophysikalischen Eigenschaften auch die Stabilität weiter verbessern23,24. Allerdings basieren die Mehrfach- und Heterodonor-Designs immer auf Carbazol-basierten Donoren wie Stamm-Carbazol und 3,6-disubstituiertem Carbazol25,26,27,28,29. Daher ist es wünschenswert, Mehrfach- und Heterodonorstrategien zu verifizieren, indem ein anderer Donortyp eingebaut und mit linear verknüpften einzelnen D-A-Molekülen verglichen wird.

In dieser Arbeit haben wir ein neues Mehrfach- und Heterodonor-Molekül namens 2Cz2DMAC2BN (Abb. 1, Einschub) entwickelt, das aus zwei Carbazolen (Cz), zwei 9,10-Dihydro-9,9-Dimethylacridinen (DMAC) und und zwei Benzonitril (BN)-Einheiten, die mit dem zentralen Phenylring verbunden sind. Die auf DMAC basierenden Emitter bilden aufgrund der stärkeren Donatornatur von DMAC im Vergleich zu Cz und der stärker verdrillten Struktur ein starkes CT. Durch die Kombination mit der schwachen Akzeptoreinheit erscheinen die Emissionsfarben von 2Cz2DMAC2BN von Himmelblau bis Grün, was eine vielfältige Auswahl an Referenzemittern ermöglicht. Darüber hinaus beweisen die hohe photolumineszierende Quantenausbeute (PLQY) und das kleine ΔEST effiziente TADF-Eigenschaften für 2Cz2DMAC2BN. Daher wurden die Stabilitäten einiger verschiedener Arten hervorragender TADF-Materialien mit ähnlichen photophysikalischen Eigenschaften verglichen. Die Analyse der photophysikalischen Parameter und Stabilitäten dieser Verbindungen würde ein besseres Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehung in Mehrfach- und Heterodonor-Designs ermöglichen.

(a) Absorptions- und Fluoreszenzspektren bei Raumtemperatur und Phosphoreszenzspektrum bei 77 K für 2Cz2DMAC2BN in Toluol. Einschub: Chemische Strukturen von 2Cz2DMAC2BN. (b) PL-Spektren für 2Cz2DMAC2BN-dotierte Filme von mCBP und reinen 2Cz2DMAC2BN-Film. (c) Temperaturabhängigkeit des vorübergehenden PL-Abfalls für einen mit 6 Gew.-% -2Cz2DMAC2BN dotierten Film aus mCBP.

Die Verbindung konnte leicht aus kommerziell erhältlichem 1,4-Dibrom-2,3,5,6-tetrafluorbenzol in drei Schritten mit der Suzuki-Kupplung und anschließender SNAr-Reaktion synthetisiert werden (Ergänzungsmethoden S1)29. Das deprotonierte DMAC griff in Gegenwart von Natriumhydrid die 2,5-Position von Tetrafluorderivaten an. Die relativ sperrigen DMAC-Einheiten verhindern zusätzliche Substitutionen selbst bei überschüssigen Mengen an Nukleophilen. Somit bildet das folgende SNAr unter Verwendung des Carbazol-N-Anions die Zielverbindung in guten Ausbeuten. Das Produkt wurde sorgfältig durch Säulenchromatographie, Umkristallisation und Vakuumsublimation gereinigt. Die Molekülstruktur wurde durch Röntgeneinkristallanalyse bestätigt (ergänzende Abbildung S1). Der Kristall enthält zwei unabhängige Moleküle mit einem Inversionszentrum, wobei die Diederwinkel zwischen DMAC und zentralen Phenylringen (Ph) zwischen 77° und 90° variieren. Da der berechnete Winkel 79 ° beträgt (ergänzende Abbildung S2), kann der Packungseffekt zu stark verdrehten Strukturen führen. Dieses Ergebnis legt einen gewissen Freiheitsgrad für die Rotation substituierter Ringe nahe. Da davon ausgegangen wird, dass die DMAC-Ph-Bindung in den angeregten Zuständen aufgrund des CT30 stark um fast 90° verdreht ist, sollte das Molekül in den angeregten Zuständen leicht stabile Geometrien bilden.

Die photophysikalischen Eigenschaften von 2Cz2DMAC2BN wurden in Lösung und im festen Zustand vollständig charakterisiert (Abb. 1). In Toluol wurde ein hoher PLQY von 91 % erhalten, wobei auch ein kleiner ΔEST von 0,01 eV und eine schnelle verzögerte Lebensdauer (τd) von 3,8 µs erreicht wurden (Tabelle 1), was auf effiziente TADF-Eigenschaften hinweist. Diese Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von 4CzIPN, einem der besten grünen TADF-Moleküle1. Das Phosphoreszenzspektrum in Toluol bei 77 K zeigte Schulterpeaks, was darauf hindeutet, dass der T1-Zustand den Charakter eines lokal angeregten Zustands (LE) hat. Die Triplett-LE (3LE) von Cz und DMAC sind mit > 3,0 eV31 relativ hoch. Obwohl berichtet wurde, dass der 3LE von BN-Ph-BN 2,9 eV beträgt29, könnte das stark verdrillte DMAC den Raum bieten, BN-Ph-BN-Ringe zu planarisieren, was zu einer Verringerung von 3LE führt. Interessanterweise zeigte 2Cz2DMAC2BN auch in polaren Lösungsmitteln wie Aceton eine konstant hohe PLQY, was einen deutlichen Unterschied zu 4CzIPN darstellt (Ergänzende Abbildung S3 und Tabelle S1). Dieses Merkmal deutet auf ein großes Potenzial hin, eine hohe PLQY bei hohen Dotierungskonzentrationen aufrechtzuerhalten, einschließlich reiner Bedingungen, bei denen die TADF-Moleküle mit D-A-Strukturen die PLQY als polare Medien reduzieren können. Darüber hinaus führt die zentrosymmetrische Struktur von 2Cz2DMAC2BN zu einer geringen Polarität.

Tatsächlich behielten die Mischfilme aus 2Cz2DMAC2BN und mCBP (3,3′-Di(9H-carbazol-9-yl)-1,1′-biphenyl) bei Dotierungskonzentrationen von 6–50 Gew.-% eine PLQY nahe eins (Abb. 1b und Tabelle 1). Auch die Emissionswellenlängen zeigten kleine Rotverschiebungen. Diese sind für die Optimierung der OLED von Vorteil, da die Dotierungskonzentrationen in der emittierenden Schicht (EML) die Ladungstransportfähigkeit erheblich beeinflussen. ΔEST und τd sind vergleichbar gut mit denen in der Lösung. Die Temperaturabhängigkeit des vorübergehenden PL-Abfalls zeigte deutlich das typische Verhalten von TADF mit der Zunahme der verzögerten Fluoreszenz (Abb. 1c). Die optischen Eigenschaften in anderen Wirten wie CCP (9-Phenyl-9H-3,9′-bicarbazol) und in PPT (2,8-Bis(diphenyl-phosphoryl)-dibenzo[b,d]thiophen) sind jedoch ebenfalls ausgezeichnet Die Polarität von PPT ist relativ höher als die von mCBP (Ergänzende Abbildung S4 und Tabelle S2)32. Der berechnete kRISC liegt nahe bei 106 s−1, was dem von 4CzIPN ähnlich ist. Der reine Film zeigte auch gute Emissionseigenschaften mit einem PLQY von 76 %, was auf die Unterdrückung der Konzentrationslöschung hinweist. Das Emissionsmaximum im reinen Film ist nur 24 nm rotverschoben gegenüber dem in einem mit 6 Gew.-% dotierten mCBP-Film (Abb. 1b). Diese Ergebnisse belegen ausreichend die effizienten Emissionseigenschaften von 2Cz2DAMC2BN.

Um die effizienten TADF-Eigenschaften von 2Cz2DMAC2BN zu demonstrieren, wurden die OLEDs gemäß dem Bericht für 4CzIPN21 hergestellt. Die Gerätestrukturen sind ITO (100 nm)/HAT-CN (10 nm)/Tris-PCz (30 nm)/Elektronenblockierungsschicht (EBL) (5 nm)/x-wt%-2Cz2DMAC2BN:host (30 nm)/ Lochblockierungsschicht (HBL) (10 nm)/BPy-TP2 (40 nm)/Liq (2 nm)/Al (100 nm), wobei HAT-CN Dipyrazino[2,3-f:2′,3′- ist h]Chinoxalin-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitril, Tris-PCz ist 9,9′,9″-triphenyl-9H,9′H,9″H-3,3′:6′, 3″-Tercarbazol, BPy-TP2 ist 2,7-Bis(2,2′-bipyridin-5-yl)triphenylen und Liq ist 8-Hydroxychinolinolatolithium (Ergänzende Abbildung S5). Die Geräte mit mCBP- und CCP-Wirten verfügen über die EBL der reinen Schicht jedes Wirtsmaterials und die HBL von T2T (2,4,6-Tris(biphenyl-3-yl)-1,3,5-triazin). Die Geräte mit einem PPT-Host verfügen über die EBL von mCBP und die HBL von PPT. Die HOMO-LUMO-Energieniveaus von 2Cz2DMAC2BN wurden anhand der elektrochemischen Messungen auf –5,4 und –2,5 eV geschätzt, wobei sich die Redoxprozesse als stabil erwiesen (ergänzende Abbildung S6). Die HOMO-LUMO-Energien im reinen Film, gemessen durch Photoelektronenausbeutespektroskopie und optische Energielücke, betrugen –5,75 und –3,15 eV. Die Wirtsmaterialien von mCBP und CCP, bestehend aus Ph- und Cz-Ringen, sind vom p-Typ, während der PPT-Wirt mit Phosphinoxid vom n-Typ ist. Allerdings würden sich die Ladungsträgertransporteigenschaften in der EML abhängig von den Dotierungskonzentrationen von 6, 15 und 50 Gew.-% des bipolaren 2Cz2DMAC2BN ändern.

Das mit 6 Gew.-% -2Cz2DMAC2BN dotierte mCBP-Gerät zeigte einen einigermaßen hohen EQE von 19 %, obwohl der Effizienzabfall etwas groß ist (Abb. 2 und Tabelle 2). Der theoretische EQE wird mit 20 % aus der geschätzten 100 % Trägerbalance und Exzitonennutzungseffizienz, dem experimentellen PLQY von 95 % und der simulierten Auskopplungseffizienz von 21 % berechnet (ergänzende Abbildung S7), was mit dem experimentellen Ergebnis übereinstimmt. Die Stromdichte (J)-Spannungs- (V) und Rolloff-Eigenschaften wurden mit der Erhöhung der Dotierungskonzentrationen verbessert, da sich die Rekombinationszone durch die Verstärkung des Elektronentransports in der EML in die Mitte verschob, wie in den Bauelementen von 4CzIPN21 beobachtet. Obwohl die PLQY-Werte für mit 6–50 Gew.-% dotierte mCBP-Filme nahezu gleich waren, waren die maximalen EQE-Werte aufgrund einiger Löschprozesse leicht verringert. Die J-V-Eigenschaften der Geräte, die CCP-Wirte verwenden, sind unabhängig von den Dotierungskonzentrationen (Abb. 2), was darauf hinweist, dass die Rekombination immer an der EML/HBL-Schnittstelle stattfand. Dies ist auf die deutlich höhere Lochmobilität des CCP-Wirtsfilms zurückzuführen, wie durch Nur-Loch- und Nur-Elektronen-Geräte (HOD und EOD) bestätigt wird (ergänzende Abbildung S8). Allerdings hängen die EQE-Eigenschaften für die CCP-Geräte stark von den Dotierungskonzentrationen ab. Das mit 50 Gew.-% dotierte CCP-Gerät deutete auch auf die Exzitonenlöschung in der hohen Dotierungskonzentration hin, wahrscheinlich aufgrund der Erhöhung des Radikalanionenzustands von 2Cz2DMAC2BN, die die Vernichtung verursachte. Andererseits könnte der Elektronentransport im Gast 2Cz2DMAC2BN in den Geräten, die einen PPT-Host vom n-Typ verwenden, gering sein. Obwohl die niedrige Dotierungskonzentration von 6 Gew.-% aufgrund der schlechten Lochbeweglichkeit einen relativ großen Rolloff zeigte, zeigte das mit 15 Gew.-% dotierte PPT-Bauelement bessere Rolloff-Eigenschaften und eine bessere Gesamt-EQE als die p-Typ-Bauelemente. Interessanterweise ist die Gerätelebensdauer von PPT-Geräten besser als die von mCBP- und CCP-Geräten (ergänzende Abbildung S9), obwohl die Stabilitäten von Verbindungen auf Phosphinoxidbasis bekanntermaßen viel geringer sind als die von Verbindungen auf Carbazolbasis . Somit könnte die Stabilität für das Radikalanion von 2Cz2DMAC2BN dominant sein, was durch die geringe Bindungsdissoziationsenergie der CN-Bindung im Radikalanionzustand erklärt werden kann.

OLED-Leistungen für 2Cz2DMAC2BN-basierte Geräte. (a–c) Die Geräte mit mCBP-Host. (d–f) Die Geräte mit CCP-Host. (g–i) Die Geräte mit PPT-Host. (a,d,g) Stromdichte-Spannungs-Kennlinien. (b,e,h) EQE-Leuchtdichteeigenschaften. (c,f,i) EL-Spektren in den OLEDs bei 6 V.

Um ein besseres Verständnis der Stabilitätsprobleme zu erhalten, verglichen wir vier verschiedene TADF-Materialien, 2Cz2DMAC2BN, 4CzIPN1, ACRXTN35 und DACT-II36, wobei wir uns auf die Arten der Donorstrukturen konzentrierten (Abb. 3). Obwohl 2Cz2DMAC2BN über zwei Arten von Donoren von Cz und DMAC verfügt, stellen DMAC-Einheiten aufgrund der stärkeren Donornatur von DMAC im Vergleich zu Cz-Einheiten die HOMO-Ebene des Moleküls bereit. Somit war das HOMO von 2Cz2DMAC2BN flacher als das von 4CzIPN (ca. −5,4 eV vs. ca. −5,8 eV), obwohl beide Moleküle vier Mehrfachdonoreinheiten aufweisen. ACRXTN mit einem einzelnen DMAC-Donor hat eine etwas tiefere HOMO-Energie (ca. −5,7 eV) als 2Cz2DMAC2BN37. Es kann auch davon ausgegangen werden, dass DACT-II eine einzelne Donoreinheit auf Basis des Cz-Rings hat, obwohl die HOMO-Energie (−5,5 eV) aufgrund von Substituenten von Diphenylaminen an den 3,6-Positionen von Carbazol etwas flacher ist. Die photophysikalischen Eigenschaften dieser Materialien in den reinen Filmen sind in der ergänzenden Abbildung S10 und Tabelle S3 zusammengefasst. Diese Verbindungen zeigten grüne Emission mit ähnlichen S1-Energien. Darüber hinaus weisen diese Materialien auch ähnliche τd-Werte von 1–2 µs und kRISC-Werte von 8–10 × 105 s−1 auf, was als wichtiger Parameter im Zusammenhang mit der Stabilität von TADF-Molekülen gilt. Allerdings unterscheiden sich die aus den PL-Intensitätsänderungen als Funktion der Bestrahlungszeit geschätzten Stabilitäten des angeregten Zustands für diese Verbindungen stark. Die Halbwertszeiten der Emissionsintensitäten sind bei 4CzIPN dreimal länger als bei 2Cz2DMAC2BN und DACT-II und viermal länger im Vergleich zu ACRXTN. Dieses Ergebnis kann nicht nur durch photophysikalische Parameter wie HOMO-LUMO-Niveaus, PLQY, ΔEST und kRISC der Materialien erklärt werden. Daher gehen wir davon aus, dass die Stabilität stark von den chemischen Strukturen der Verbindungen beeinflusst wird. Hier haben wir zwei unterschiedliche Merkmale klassifiziert, nämlich mehrere Donor-basierte D-A-Moleküle (2Cz2DMAC2BN und 4CzIPN) im Vergleich zu linear verknüpften einzelnen D-A-Molekülen (ACRXTN und DACT-II) und Donorstrukturtypen von DMAC-basierten ( 2Cz2DMAC2BN und ACRXTN) vs. Cz-basierte (4CzIPN und DACT-II) Moleküle. Für die gleiche Klasse von Donoreinheiten zeigten die auf mehreren Donoren basierenden D-A-Moleküle bessere Stabilitäten im Vergleich zu den einzelnen linearen D-A-Molekülen. Dies wird auf die überfüllten Substituenten mit intramolekularer π-π-Stapelung zurückgeführt. Die photoabgebauten Proben von Carbazol-Derivaten zeigten Produkte durch Dissoziation der C-N-Bindung, z. B. Carbazol und Dicarbazol-Isophthalonitril aus 4CzIPN38. Somit könnte die Delokalisierung und Stabilisierung des CT-Zustands im angeregten Zustand durch die Donor-Donor-Wechselwirkungen die Dissoziation der Donoreinheiten unterdrücken. Dies könnte auch mit den Ergebnissen zusammenhängen, dass Cz-basierte TADF-Moleküle eine bessere Stabilität zeigten als DMAC-basierte. Die größeren Diederwinkel zwischen DMAC und Ph-Ringen sollten nicht nur die Bindungsstärke schwächen, sondern auch D–A stärker im CT lokalisieren. Beachten Sie, dass auch die Photostabilität der dotierten Filme eine ähnliche Tendenz zeigte (Ergänzende Abbildung S11 und Tabelle S4).

(a) Chemische Strukturen der untersuchten TADF-Materialien. (b) Photostabilität von TADF-Materialien in den reinen Filmen. Änderung der PL-Intensität gegenüber der Anregungszeit bei Bestrahlung mit Dauerstrich-Laserlicht bei 355 nm (Anregungsleistung 2,5 W cm−2). Einschub: PL-Spektren für die reinen Filme. (c) Betriebsstabilität des Geräts für die OLED mit EML von 15 Gew.-% TADF dotiertem mCBP. Leuchtdichteänderung im Verhältnis zur Betriebszeit bei einer anfänglichen Leuchtdichte von 100 cd m−2. Einschub: EL-Spektren für die Geräte.

Wir verglichen außerdem die Betriebslebensdauer der Geräte, die auf diesen vier TADF-Emittern basieren (Abb. 3), wobei die Gerätestruktur ITO (100 nm)/HAT-CN (10 nm)/Tris-PCz (30 nm)/mCBP war ( EBL) (5 nm)/15-wt%-Emitter:mCBP (30 nm)/T2T (10 nm)/BPy-TP2 (40 nm)/Liq (2 nm)/Al (100 nm). Nur 4CzIPN zeigte einen stabilen Betrieb und die Lebensdauer ist mehrere Hundert Mal länger als bei anderen Materialien. Obwohl die Triplettbildung bei elektrischer Anregung enorm ist, liegen die kRISC dieser Materialien in der gleichen Größenordnung. Der große Unterschied zur Stabilität des angeregten Zustands lässt daher darauf schließen, dass der dominante Degradationspfad in den Geräten mit der geladenen Spezies zusammenhängt. Obwohl ACRXTN eine etwas längere Lebensdauer als 2Cz2DMAC2BN aufwies, scheint die DMAC-Einheit im Wesentlichen für die geringere Stabilität verantwortlich zu sein. Wie oben erwähnt, könnte die Stabilität des Radikalanion-Zustands einen größeren Einfluss auf die Vorrichtungen von 2Cz2DMAC2BN haben, und es ist bekannt, dass die C-N-Einfachbindung im Radikalanion anfällig ist. Daher könnte die stark verdrehte CN-Bindung zwischen DMAC und Ph-Ringen aufgrund der sterischen Hinderung die Stabilität von 2Cz2DMAC2BN verringern. In den Mischfilmen von TADF-Emittern und häufig verwendeten p-Typ-Wirten wie mCBP spielen TADF-Moleküle eine Schlüsselrolle bei der Elektroneninjektion und dem Elektronentransport39. Um eine grüne Emission zu realisieren, verfügen 2Cz2DMAC2BN, ACRXTN und DACT-II über relativ starke Donoren und schwache Akzeptoren, während 4CzIPN über relativ schwache Donoren und starke Akzeptoren verfügt. Diese Unterschiede deuten darauf hin, dass 4CzIPN durch die Berücksichtigung der Wirtseigenschaften für die ausgewogene Ladungsträgerinjektion und den Ladungsträgertransport von Vorteil ist. Daher sollte die Wahl der Donor- und Akzeptoreinheiten in erster Linie wichtig und sorgfältig überlegt sein.

Eine TADF-Verbindung vom Mehrfach-D-A-Typ wurde unter Verwendung von Heterodonoren von Cz- und DMAC-Einheiten entwickelt. Die grundlegenden TADF-Eigenschaften waren mit denen exzellenter grüner Emitter wie 4CzIPN vergleichbar. Darüber hinaus kann in polaren Lösungsmitteln und Filmen mit hohen Dotierungskonzentrationen ein hoher PLQY aufrechterhalten werden. Die OLED-Leistungen wurden durch Änderung der Dotierungskonzentrationen der Emitter optimiert, was die angemessene EQE demonstriert. Die Hauptmotivation der Arbeit bestand darin, ein besseres Verständnis der Struktur-Stabilitäts-Beziehung zu ermöglichen. Daher haben wir die Stabilitäten von vier verschiedenen Arten von TADF-Materialien verglichen. Das Design mit mehreren D-A-Typen scheint für die Erhöhung der Stabilität des angeregten Zustands wertvoll zu sein. Allerdings ist die Betriebsstabilität des Geräts komplizierter und die durch Polaronen verursachte Verschlechterung könnte einen größeren Einfluss auf die OLED-Haltbarkeit haben. Da die Trägerinjektions- und Transporteigenschaften in der EML durch TADF-Moleküle beeinflusst werden, obwohl ihre Hauptfunktion darin besteht, den exzitonischen Prozess zu steuern, ist eine sorgfältige Betrachtung der einzelnen Donor-Akzeptor-Stärken im TADF-Molekül erforderlich.

Für die Synthese wurden kommerziell erhältliche Materialien verwendet, wie sie von den Lieferanten erhalten wurden. Einzelheiten zu Instrumenten und physikalischen Messungen finden Sie in der Ergänzungstabelle S6.

Die Syntheseverfahren und Charakterisierungsdaten für jedes Material sind in den Zusatzmethoden S1 beschrieben und die NMR-Spektren sind in den Daten S1 angegeben.

Die Berechnungen wurden hauptsächlich mithilfe der Computereinrichtungen des Forschungsinstituts für Informationstechnologie der Kyushu-Universität durchgeführt. Molekülorbitalberechnungen wurden mit dem Programm Gaussian 16 durchgeführt. Die Geometrien wurden bei B3LYP/6-31+G(d,p) optimiert. Die TD-DFT-Berechnungen wurden auf dem B3LYP/6-31+G(d,p)-Niveau für die Berechnungen der angeregten Zustände durchgeführt.

Organische Dünnfilme für optische Messungen wurden auf sauberen Quarz- und Siliziumsubstraten durch thermische Verdampfung bei einem Druck von weniger als 1 × 10−4 Pa hergestellt. Die Substrate wurden mit Aceton und Isopropanol gereinigt und dann mit UV/Ozon behandelt, um adsorbierte organische Spezies zu entfernen vor der Ablagerung.

Die Herstellungs- und Messverfahren werden in den ergänzenden Methoden S2 beschrieben.

Durch Vakuumsublimation wurden für die Röntgenstrukturanalyse geeignete Einkristalle erhalten. Röntgenkristallographische Informationsdateien (CIFs) sind verfügbar [CCDC 2249866 enthält die ergänzenden kristallographischen Daten für diese Arbeit. Diese Daten können kostenlos vom Cambridge Crystallographic Data Centre über http://www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif bezogen werden.

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Die Autoren danken Frau K. Kusuhara und Frau N. Nakamura für die Charakterisierung der Materialien. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch das JSPS Core-to-Core-Programm (JPJSCCA20180005). MM dankt der JSPS KAKENHI für die finanzielle Unterstützung mit den Fördernummern 19H02790, 20K21227, 21H05401 und 23K04879. HK dankt der JSPS KAKENHI Grant-Nummer 20H05840 für die finanzielle Unterstützung.

Masashi Mamada

Aktuelle Adresse: Department of Chemistry, Graduate School of Science, Kyoto University, Sakyo-ku, Kyoto, 606-8502, Japan

Zentrum für organische Photonik- und Elektronikforschung (OPERA), Kyushu-Universität, Motooka, Nishi, Fukuoka, 819-0395, Japan

Bhagya Madushani, Masashi Mamada, Kenichi Goushi, Thanh Ba Nguyen, Hajime Nakanotani und Chihaya Adachi

Institut für chemische Forschung, Universität Kyoto, Uji, Kyoto, 611-0011, Japan

Hironori Kaji

International Institute for Carbon Neutral Energy Research (I2CNER), Kyushu University, 744 Motooka, Nishi, Fukuoka, 819-0395, Japan

Chihaya Adachi

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MM hat das Material synthetisiert. MM, KG, HN und CA haben die Experimente entworfen. BM und MM führten die Messungen durch. BM und TBN trugen zur Datenanalyse bei. MM, HK und CA betreuten das Projekt. BM und MM haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Masashi Mamada oder Chihaya Adachi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Madushani, B., Mamada, M., Goushi, K. et al. Mehrfaches Donor-Akzeptor-Design für stark lumineszierende und stabile thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenzemitter. Sci Rep 13, 7644 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34623-9

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Eingegangen: 06. April 2023

Angenommen: 04. Mai 2023

Veröffentlicht: 11. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34623-9

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