香港大学任咏华教授研究组：研发具水平配向的含四齿配体金(III)发光材料设计策略

来源：X一MOL资讯

近年，有机电致发光二极管（Organic Light-Emitting Diode; OLED）的应用日益普及，许多电子设备如电视机、大型电子屏幕、智能手机及智能手表等都相继配置了OLED屏幕，然而OLED发光材料的研究多集中于含铱（III）和铂（II）的过渡金属有机配合物。自香港大学任咏华研究组在1993年首次报导了具有丰富发光特性的金（III）金属有机配合物及其后在2005年报导环金属金（III）金属有机配合物可于室溫發磷光的工作，金（III）过渡金属有机配合物于OLED发光材料的研究引起了广泛关注。这些过渡金属中心主要透过重原子效应影响自旋轨道耦合，增加系间跨越，从而提升内部量子效率达100 %，并利用三重激发态的能量发出磷光。最近有研究发现一些铂（II）或铱（III）配合物，若它们的跃迁偶极矩能够在发射层横向排列，能大大提升OLED器件的出光率，使外部量子效率突破20 %。有关文献更指出，这跃迁偶极矩的排列容易受到不同的因素影响，如发光体的分子结构、主体材料的分子结构及OLED的制作方法等。
由于金（III）和铂（II）是（d8）等电子体，并同样拥有方形平面几何结构，所以它们都有相同的优点 — 就是优选横向排列的跃迁偶极矩。但一般铂（II）配合物都具有较强的分子内或分子间相互作用（如铂‧‧‧铂相互作用），它们未必能在发射层与主体材料有序地排列。然而，金（III）配合物的相对较弱的分子内或分子间相互作用卻使其更容易与主体材料有序地排列。研究组在研发金（III）配合物的过程中，设计和采取了不同的合成方法来降低其分子间的相互作用，例如使用共轭或非共轭炔基树枝状聚合物、芳基或大块稠合杂环炔基作为辅助配体，或在钳式配体上加上多于一组叔丁基。此外，使用四齿配体亦能提升金（III）配合物发射颜色纯度、刚性和热稳定性。
2019年，任咏华研究组在《自然光子学》（Nature Photonics）发表了以C^C^N作为三齿钳式配体及咔唑作为辅助配体的新型金（III）发光材料及其OLED应用。最近，研究组更研发出一系列含C^C^N^N作为四齿配体的新颖金（III）发光材料（图1）及发表其OLED的应用。这崭新种类的金（III）配合物具良好的吸收可见光及光致发光特性。通过时间依赖密度泛函理论（Time-Dependent Density Functional Theory; TDDFT）方法，研究组成功推算出金（III）配合物4的跃迁偶极矩位于其化学结构的平面上（图2），这跃迁偶极矩有助金（III）配合物于发射层形成横向排列，从而提高OLED器件的出光率。金（III）配合物2−4的发射光谱二维分布图（图3a−c）及其角度依赖性光致发光强度（图3d）的研究结果亦证明了通过不同配置的叔丁基能令金（III）配合物3及4在主客矩阵中优选横向排列。OLED的器件性能及寿命测试方面，其外部量子效率高达20.6 % ，器件寿命更长达37,500小时（图4）。此研究成果不仅展现了首系列优选横向排列的金（III）发光材料及其分子设计的调控，还表明这类金（III）配合物的化学结构与其器件性能及寿命的关联性，将为金（III）OLED材料的设计和开发提供重要的指导作用。

图1. 含四齿配体的金（III）配合物1−5的合成路线

图2. 利用TDDFT方法推算的金（III）配合物4的跃迁偶极矩

图3.  金（III）配合物2−4的（a−c）发射光谱二维分布图及（d）其角度依赖性光致发光强度

图4. 基于金（III）配合物1−4制备的OLED器件寿命退化曲线
这研究成果已在近期Angewandte Chemie International Edition 上发表，文章的通讯作者为香港大学化学系任咏华教授和陈美仪博土，第一共同作者为邓敏聪博士及李乐筠博士。