论文信息

研究背景

圆偏振发光（circularly polarized luminescence, CPL）是一类重要的手性光学响应，在裸眼3D显示、光学信息存储、量子自旋光子学和生物手性传感等前沿领域展现出广阔的应用前景。其中，圆偏振有机发光二极管（CP-OLED）能够将手性光学功能与OLED的高亮度、低功耗等优势相结合，被认为是新一代手性光电器件的重要发展方向。然而，目前CP-OLED通常依赖外置偏振元件对普通电致发光进行后处理，以获得圆偏振光。这种外部偏振转换的技术路线不可避免地带来额外的光学损耗：偏振滤片会滤除大量非目标偏振光，导致发光亮度和光取出效率明显降低；同时，额外引入的光学元件也会增加器件结构复杂度和制造成本。因此，从发光材料本身实现高效圆偏振光的直接产生，是突破传统CP-OLED效率瓶颈、推动高性能手性光电器件发展的关键。对于有机CPL材料而言，一个长期存在的核心挑战是如何同时实现高发光效率和强手性响应。传统手性微扰策略通常将手性单元与发光中心进行空间分离，有限的电子耦合难以有效诱导发光中心的手性电子分布，导致电致发光不对称因子（gEL）受到限制。与此同时，增强手性响应通常涉及降低电跃迁偶极矩，而高效OLED又依赖较大的电跃迁偶极矩和较高的发光量子效率，因此形成了“高效率”与“强手性响应”难以兼顾的内在矛盾。

文章概述

针对上述挑战，近日，广东工业大学陈文铖副教授、霍延平教授与兰州大学张浩力教授合作，提出了一种“局域反芳香性介导的手性给体–受体分子设计策略”，通过将具有局域反芳香特征的手性单元直接引入发光中心，在分子层面协同调控电荷分布与磁跃迁偶极矩，实现高效CPL与高性能CP-OLED的兼顾。

本工作以具有独特螺旋结构和局域反芳香电子特征的ABH单元作为手性给体，并分别引入单个和两个三嗪（TRZ）受体，构筑了(M/P)-ABH-TRZ和(M/P)-ABH-2TRZ两类手性发光分子。这一分子设计实现了对CPL性能的协同调控：（1）手性单元直接参与发光中心的电子结构调控。不同于传统“外围手性微扰”策略，ABH手性单元直接参与前线分子轨道（FMOs）的构成。在电荷转移激发过程中，电子密度能够沿螺旋骨架发生显著的手性重分布，从而增强发光中心的内禀手性响应。（2）利用局域反芳香特征增强磁跃迁偶极矩。ABH骨架所具有的局域反芳香电子特征有利于增强体系的磁跃迁偶极矩（|μ_m|），从而进一步放大圆偏振发光的不对称响应，为提升CPL性能提供了新的分子设计维度。（3）构筑HLCT激发态，实现高效激子利用。通过合理调控给体与受体之间的电子相互作用，体系形成杂化局域–电荷转移（hybridized local and charge-transfer, HLCT）激发态，在获得有效电荷转移特征的同时保留一定的局域激发成分，有利于实现高效激子利用和深蓝光发射。

基于上述策略，所构筑的手性发光分子成功应用于深蓝光CP-OLED。器件的电致发光峰分别位于438和440 nm，最大外量子效率（EQE）分别达到4.39%和6.38%，并且在实际工作亮度范围内表现出可忽略的效率滚降。尤为值得关注的是，ABH-2TRZ基器件实现了高达7.4 × 10^-3的电致发光不对称因子，在保持较高器件效率的同时获得了强烈的圆偏振电致发光响应，展示出局域反芳香性策略在高性能CP-OLED中的应用潜力。

图文导读

图 1. 局域反芳香介导手性D-A新策略与传统手性微扰型热激子圆偏振发光分子设计对比示意图

图2 (a) (M)-ABH-TRZ与(b) (P)-ABH-2TRZ 的单晶结构；(c) ABH-TRZ和 (d) ABH-2TRZ的晶体堆积方式，其中M-对映体、P-对映体分别以蓝色和粉色突出显示。

图3 (a) S₁态最优几何结构下ABH-TRZ与ABH-2TRZ的LOL-π等值面（等值面数值ISO = 0.20）；(b) 基于T₁态最优几何结构计算得到的 ABH-TRZ、ABH-2TRZ 的 ICSS等值面，其中绿色代表屏蔽区域，蓝色代表去屏蔽区域。

图4 (a) ABH-TRZ与ABH-2TRZ的前线分子轨道分布，标注各分子片段对相应轨道的占比贡献；(b) ABH-TRZ和ABH-2TRZ 相关单重、三重激发态的能级图及自然跃迁轨道 NTO（空穴：蓝色；粒子：粉色），同时给出三重态-单重态之间的自旋-轨道耦合（SOC）矩阵元。

图5 (a) 紫外-可见吸收光谱与光致发光光谱；(b) 在甲苯溶液（10^-5 M）中测得的瞬态光致发光衰减曲线；(c) 溶剂化变色光致发光光谱；(d) 溶剂化变色Lippert-Mataga模型。

图6 (a) (M/P)-ABH-TRZ、(b) (M/P)-ABH-2TRZ 在稀甲苯溶液（10^-5 M)）中的圆二色谱（CD）与圆偏振光致发光（CPPL）光谱；(c,e) 掺杂于mCBP薄膜（质量分数 5 wt.%）的(M/P)-ABH-TRZ以及(d,f) (M/P)-ABH-2TRZ的CPPL光谱，以及对应的光致发光不对称因子(gPL)随波长变化曲线。

图7 (a) (M)-ABH-TRZ与(M)-ABH-2TRZ分子S₁→S₀跃迁的计算得到的电跃迁偶极矩（蓝色）、磁跃迁偶极矩（红色）、二者之间的夹角，以及由此得到的发光不对称因子；(b) ABH-TRZ（左侧）与 ABH-2TRZ（右侧）T₁态的自旋密度分布(SDD)，图中同时给出ABH单元对总自旋密度的相对贡献占比。

图 8 (a) 电致发光光谱及其对应的CIE色坐标；(b) 外量子效率-亮度特性曲线；(c) g_EL随波长变化曲线；(d) 三维散点图，汇总代表性手性激子型CP-OLED发光材料的发射波长、g_EL以及品质因子（Q-factor）。

结论

本研究提出了一种局域反芳香性介导的手性给体–受体分子设计策略，突破了传统手性微扰策略中“手性中心与发光中心相分离”的设计模式，实现了对螺旋电荷重分布和磁跃迁偶极矩的协同调控，从而兼顾了发光效率与圆偏振响应。更重要的是，本工作表明，局域反芳香分子基元不仅可以作为调控电子结构的功能片段，还能够作为增强磁跃迁偶极矩和圆偏振光学响应的有效分子设计单元。这一认识为CPL材料的结构设计提供了新的思路，也为进一步发展兼具高效率和强圆偏振响应的有机光电材料与CP-OLED器件提供了新的研究方向。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。