综述：近期在采用TADF材料的OLED应用中取得了进展，这些材料的单重态-三重态能隙有所减小

TADF技术通过反向 intersystem crossing 实现高效率，分子设计策略包括D-A结构、多共振效应和空间电荷转移，器件优化需平衡电荷平衡与稳定性，但存在蓝光发射不稳定、高亮度效率下降等问题，未来结合AI和新型材料可突破瓶颈。

Ramasubba Reddy Palem|Ganesh Shimoga|Soo-Hong Lee|Hyun-Seok Kim|Chinna Bathula

韩国京畿道高阳市伊尔山洞洞谷32号，东国大学生物医学工程系，邮编10326

摘要

热激活延迟荧光（TADF）作为一种颠覆性技术，在有机发光二极管（OLED）领域取得了重大突破，通过同时利用单重态和三重态激子，实现了接近100%的内部量子效率。本文将重点讨论TADF材料在分子设计方面的最新进展、其在多种OLED结构中的集成应用，以及限制其商业化应用的挑战。控制激发态动力学和抑制效率衰减的关键分子策略包括供体-受体工程、刚性化设计、多重共振结构以及空间电荷转移。在器件层面，关键优化措施包括宿主-客体相互作用、电荷/激子平衡和稳定性提升。最后，本文还探讨了新兴趋势，如室温磷光-TADF混合体、圆偏振TADF以及基于人工智能的TADF发现方法，这些都有助于开发下一代高性能、稳定且色彩纯正的OLED。

引言

有机发光二极管（OLED）凭借其机械柔韧性、颜色可调性和自发光特性，已成为现代光电技术的核心，推动了高分辨率显示器和节能照明系统的发展[1][2]。然而，TADF-OLED的效率衰减问题使其在实现高亮度应用方面面临挑战（见图1(a)[2]。OLED的工作原理基于激子的产生和辐射复合，尤其是在发光层（EML）中的电子-空穴对。在传统荧光OLED中，仅有约25%的电生成激子（即单重态激子）能够发光，而剩余的75%是非辐射性的三重态激子，这限制了内部量子效率（IQE）[3]。这种低效率源于单重态与三重态之间的较大能量差（ΔE_ST），通常在0.5–1.0 eV之间[4]，导致非辐射性的三重态激子无法有效转化为发光的单重态激子（见图1(b)）。通过使用铱或铂等重金属复合物，可以利用强自旋-轨道耦合实现三重态激子的辐射衰减，从而提高效率至100%[5]。不过，这些方法存在成本高、色彩纯度低以及金属毒性等问题，因此研究人员开始探索无金属替代材料。

近年来，TADF作为一种创新技术出现，通过反向系统间跃迁（RISC）机制高效捕获三重态激子。该机制通过降低ΔE_ST来促进三重态向单重态的转换，从而显著提高RISC速率（k_RISC），使S₁和T₁激子都能通过荧光途径被有效利用[4]。目前，最常见的降低ΔE_ST方法是采用供体-受体（D-A）结构，这种结构将最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）空间分离，以减少能量交换。然而，这种方法往往会导致激发态结构松弛和发射光谱展宽（半高宽FWHM通常为70–100 nm），从而影响色彩纯度，尤其是在高亮度应用中（见图2）。

虽然降低ΔE_ST是基础，但最新研究表明，激发态结构的优化对提高RISC速率至关重要。一种关键策略是引入额外的电子供体单元（D₂），促进³CT（电荷转移）和³LE（局部激发）三重态之间的有效混合（见图3）。这种混合得益于³LE与³CT之间的较小能量差ΔE_LE-CT，使得无需依赖重原子即可加速RISC过程，从而提高器件效率和稳定性[7]。

多重共振（MR）效应为分子设计带来了突破，即使在刚性多环芳香体系中也能实现HOMO与LUMO的有效分离。在特定位置引入具有相反共振效应的原子（如硼和氮），可以使HOMO局域在氮和间位/对位碳原子上，而LUMO局域在硼和邻位/对位碳原子上（见图4）。这种巧妙的设计在不使用柔性D-A连接的情况下实现了较小的ΔE_ST，从而产生了高效、窄带发射（FWHM约28 nm）且色彩纯正的TADF发光体，适用于深蓝色光源[6]。

这种机制使TADF发光体无需依赖稀有金属即可达到100%的IQE，使其成为最具前景的可持续OLED技术之一。过去十年中，TADF的分子设计（尤其是D-A结构、MR系统和空间电荷转移机制）取得了显著进展，推动了绿色、红色甚至蓝色OLED的性能提升[7][8]。然而，仍存在一些挑战，如高亮度下的效率衰减、蓝色发光体的不稳定性和合成复杂性，这些因素限制了其大规模应用。本文旨在总结TADF发光体的发展历程，结合分子设计原理与器件集成策略进行分析，并指明未来发展方向，以充分发挥TADF分子的潜力。

部分摘录

TADF光物理：机制与关键参数

TADF通过热激活过程将非辐射性的三重态激子转化为发光的单重态激子，从而实现激子的完全捕获[8]。高效的RISC过程是TADF的基本原理。电激发后，S₁与T₁激子的比例为1:3。传统荧光发光体中，约25%的单重态激子以热能形式损失，导致IQE上限为25%，而TADF材料则避免了这一限制，因为其能量差ΔE_ST非常小

TADF发光体的分子设计策略

TADF分子的性能取决于合理的分子工程设计，包括精确控制分子构型、最小化ΔE_ST以及提高RISC效率。本文讨论了TADF分子设计中的主要策略，如供体-受体几何结构、多重共振结构（MR）和空间电荷转移（TSCT）等，这些因素单独或共同作用可实现高效且色彩纯正的发光效果（见图10）。

器件集成与性能优化

虽然分子设计至关重要，但TADF发光体在器件层面的集成对OLED的整体性能同样重要。为了实现高效激子捕获、电荷平衡并最小化淬灭损失，必须精心选择宿主材料、界面层和器件架构。本文详细阐述了高性能OLED中TADF材料的有效集成方法，以实现优异的亮度、色彩纯度和器件寿命

挑战与机遇

尽管TADF材料具有无金属激子捕获和高量子效率等优点，但其广泛应用仍受限于诸多挑战，如蓝色发光体的稳定性问题、高亮度下的效率下降以及大规模生产的合成难度。本文分析了这些问题，并提出了相应的工程和科学解决方案

新兴趋势与未来方向

除了TADF材料本身，不同领域的创新也在突破传统OLED设计的限制。未来TADF的发展方向包括实现圆偏振发射、提高生物相容性、采用混合发射机制，或利用机器学习和数据科学进行TADF发现。本文概述了TADF掺杂剂设计和器件实现的三大前沿方向

结论

TADF为OLED技术带来了重大变革，为在无金属有机体系中实现100%的内部量子效率提供了明确路径。十年来，研究人员发展出了复杂的分子设计方法，从扭曲的供体-受体结构到刚性的多重共振结构和空间电荷转移（TSCT）拓扑，显著提升了ΔE_ST、RISC速率（k_RISC）和发射带宽等光物理参数的控制能力

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系