科學家闡明多共振型發光材料ΔES1T1起源，推動OLED材料國產替代

當前顯示技術發展的一個重要方向是超高清顯示，高分辨率（即 4K/8K 分辨率）、廣色域（即 BT.2020 色域）是兩個最重要的技術指標。對于有機發光二極管（OLED，Organic Light-Emitting Diode）技術而言，其瓶頸問題在于發展兼具高效和高色純度的三基色發光材料。

近十余年來，OLED 發展的一個重要突破是熱激活延遲熒光（TADF，Thermally Activated Delayed Fluorescence）材料的應用，這類材料的一個主要特征是具有較小的單重態-三重態能隙（ΔES1T1），因而三重態可以通過反向系間竄越過程回到單重態，實現高效的激子利用。

然而在傳統認知中，TADF 材料需要使得其前線分子軌道最高占據分子軌道（HOMO，Highest Occupied Molecular Orbital）/最低未占分子軌道（LUMO，Lowest Unoccupied Molecular Orbital）充分分離，以降低 HOMO-LUMO 的電子交換積分 2KHL，降低 ΔES1T1。然而，這也使得 TADF 材料普遍存在著結構弛豫嚴重、光譜展寬嚴重、色純度差的問題。并且，2KHL 的降低也使得其熒光輻射躍遷速率顯著下降。這些問題的存在使得 TADF 材料難以直接應用于高色純度的顯示應用中。

直到 2016 年，多共振型（MR，Multi-Resonance）發光材料打破了傳統 TADF 設計的這一認知：這類材料具有雜原子摻雜的平面稠合骨架結構，在分子軌道空間重疊較強的情況下，仍能實現小 ΔES1T1、高輻射躍遷速率的窄譜帶發光。盡管近些年 MR 發光材料得到了廣泛的研究和發展，其底層設計機理仍然不夠清晰（例如，這類材料為何能在具有明顯 HOMO/LUMO 重疊的情況下實現小的 ΔES1T1），現有含時密度泛函理論難以準確預測此類材料的激發態性質，阻礙了這類材料的理性設計和發展。為了解決這一問題，蘇州大學教授張曉宏課題組開展了一項研究。

通過本次研究，他們揭示了 MR 發光材料在分子軌道強空間重疊下，仍能實現小 ΔES1T1 的機制。

（來源：資料圖）

傳統基于單電子激發模型下的觀念認為，ΔES1T1 的減小需要最小化 HOMO-LUMO 軌道空間重疊程度，以降低 HOMO-LUMO 交換積分（2KHL）。

而該團隊發現，MR 型分子的激發態由于是多電子激發過程，除了 HOMO→LUMO 的激發過程，其 HOMO→LUMO+1 軌道的激發過程也對其激發態有重要貢獻。而 HOMO→LUMO 與 HOMO→LUMO+1 過程的耦合會顯著穩定 S1 態能量，從而顯著減小 ΔES1T1。

基于這一能夠更準確描述 MR 發光材料激發態性質的物理模型，他們進一步推導出了一個僅基于材料分子的簡單基態參數 HOMO-LUMO 交換積分（2KHL）和 LUMO-LUMO+1 能級差（ΔELUMO–LUMO+1）就可以預測其 ΔES1T1 的模型公式，并通過已報道的實驗案例驗證其準確性和普適性。

他們還基于該模型成功發展了高效的 MR 發光材料 IV-DABNA，其實驗測試 ΔES1T1 與其模型公式預測結果高度相符。最終表現出極為出色的器件性能，最大外量子效率接近 40%，效率滾降也極低，1000cdM?2 的亮度下效率仍達 38%。

總的來說，他們的工作從最基本的物理層面出發，闡明了 MR 發光材料“小 ΔES1T1”的起源，為面向超高清顯示的 OLED 材料的設計和發展奠定了基礎。

（來源：資料圖）

審稿人對該研究評價稱：“這是一項令人印象深刻且重要的工作，不僅深化了對有機半導體材料中 ΔES1T1 的理解，還證明了新提出的 ΔES1T1 表達式在高效多環雜芳烴發光材料的篩選和設計中表現優異。”

此外，Nature Materials 編輯團隊也評價這一工作：“該研究深化了多共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）材料中單重態-三重態能隙（ΔES1T1）的理解，為設計高效、低滾降的 OLED 的設計提供了發現?！?/p>

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02309-4）

OLED 技術本身是一項有巨大應用前景的平板顯示技術。利用本工作提出的這一普適模型，學界和產業界有望發展性能更加優異的高性能 OLED 發光材料，并將其應用于超高清顯示 OLED 技術中。

科研工作者大多深有體會：研究到了一定階段，常會步入瓶頸期。大量重復、枯燥的實驗與嘗試，往往遲遲換不來令人滿意的結果。例如，在本工作的第一輪審稿意見中，有一個審稿人雖然對該團隊提出的理論表現出了濃厚的興趣，但也對其普適性提出了質疑。他要求該團隊設計合成更多全光譜發光范圍內的 MR 材料，來驗證所提出的物理模型的普適性。他們雖然在紙面上很快就設計了若干這樣的候選材料。然而，它們的實驗合成卻出現了很大的問題——有的中間體難以溶解導致做不出終產物，有的硼化反應產率極低，導致難以提純出來……每當這樣的時刻，團隊中難免彌漫著“或許這樣也可以了”的放棄念頭。

但是團隊成員王凱對 DeepTech 表示：“我們始終相信歷盡天華成此景，人間萬事出艱辛?！闭驗闆]有輕言放棄，在持續不斷的摸索與嘗試中，他們最終幸運地找到了答案——這看似偶然的突破，其實正是堅持與努力所帶來的必然饋贈。

總的來說，這一工作顯著加深了對 MR 材料設計的認識，為超高清 OLED 發光材料的開發奠定了基礎。

下一步，一方面他們將基于本工作提出的這一普適模型，對 MR 材料進行更加深入的理性設計和調控。另一方面，他們還將對 MR 發光材料的其他共性問題進行更加深入的研究，例如其譜帶窄化的原因和驅動力、其器件穩定性的決定性因素等，推動這類新型 OLED 發光材料從實驗室走向產業應用，實現 OLED 材料的國產替代。

參考資料：

Walia, R., Xiong, X., Fan, XC. et al. Achieving small singlet–triplet energy gaps in polycyclic heteroaromatic emitters.Nat. Mater.(2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02309-4

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