清华大学段炼教授课题组：高效窄发射拓展螺烯染料的构筑

摘要：拓展螺烯是由线形和曲形稠合单元交替组合而成的螺烯衍生物。由于其独特的螺旋共轭结构，拓展螺烯具有潜在的手性光学特性，在有机光电子器件中展现出广阔应用前景。通过在拓展螺烯分子中引入杂原子，有助于形成多重共振效应，抑制分子的高频伸缩振动，实现高效的窄谱带荧光。此外，

拓展螺烯是由线形和曲形稠合单元交替组合而成的螺烯衍生物。由于其独特的螺旋共轭结构，拓展螺烯具有潜在的手性光学特性，在有机光电子器件中展现出广阔应用前景。通过在拓展螺烯分子中引入杂原子，有助于形成多重共振效应，抑制分子的高频伸缩振动，实现高效的窄谱带荧光。此外，其较大的离域共振结构还能够促进三线态激子的反向系间穿越过程，增强分子的热活化延迟荧光特性。因此，多重共振型拓展螺烯材料在窄光谱OLED中具有较大的应用优势，近年来引起人们广泛的研究兴趣。

清华大学段炼（点击查看介绍）/张东东（点击查看介绍）研究团队长期致力于多重共振材料和窄光谱器件研究，开发了一系列新型硼氮类窄光谱荧光染料（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20498; Adv. Mater. 2024, 36, 2410096）和吲哚并咔唑类窄光谱荧光染料（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202117181; Adv. Mater.2024, 36, 2408816）。在前期工作基础上，该团队提出通过硼/氧多重共振（DOBNA）片段和吲哚并咔唑多重共振（ICz）片段互补稠合的分子设计策略（图1），成功开发了具有对称和非对称结构的拓展螺烯异构体，实现了高效的窄光谱蓝色荧光，并揭示了非对称拓展螺烯结构在固态发光中的显著优势。

图1. 多重共振型拓展螺烯染料的分子设计策略

目标分子由一锅法硼化反应制备。通过在DOBNA结构基础上稠合ICz片段有效拓展了共轭螺旋结构，增强了分子刚性并促进了多重共振效应的离域，使光谱显著窄化。如图2，目标分子在甲苯溶液中具有高效的窄谱带深蓝光发射，其发射峰位于460 nm附近，荧光量子产率在90%以上，半峰宽最小只有18 nm。相比于对称分子，非对称分子具有更高的螺旋度，有助于削弱分子间相互作用。因此，非对称分子在薄膜态中表现出更优异的窄发射特性。

图2. 目标分子在溶液和掺杂薄膜中的紫外吸收光谱和稳态/瞬态光谱。

该团队进一步研究了目标分子的电致发光性能。相比于对称结构，非对称结构表现出更为优异的器件性能，其最高外量子效率达到25%，并且在10,000 cd m-2的高亮度下，器件外量子效率仍保持18.1%，具有较低的效率滚降。此外，目标分子均表现出较好的器件稳定性，在2,000 cd m-2的初始工作亮度下，器件T90达到70小时以上。

图3. 目标分子的器件结构和性能参数

综上所述，该工作提出了一种通过多重共振片段互补稠合的分子设计策略，有助于推动拓展螺烯染料在高效窄谱带OLED器件中的应用。这一研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 杂志上，论文第一作者是曾旋博士（现就职于武汉理工大学），通讯作者是清华大学段炼教授和张东东助理研究员。该工作得到了国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究重大专项的资助。

Sym- and Asym-Expanded Heterohelicene Isomers Featuring Extended Multi-Resonance Skeleton for Narrowband Deep-Blue Fluorescence

Xuan Zeng, Xiaofeng Luo, Guoyun Meng, Xuewen Wang, Dongdong Zhang, Lian Duan

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202423670

曾旋博士简介

曾旋，武汉理工大学化生学院副研究员。2020年12月-2022年12月于清华大学化学系从事博士后研究，合作导师段炼教授。曾旋博士长期从事有机发光器件相关研究，开发了系列新型有机光电功能材料，并提出轨道对称性匹配的分子设计策略，实现了氮杂多重共振材料的全光色调节，丰富了高效窄光谱荧光材料体系。近年来以第一作者身份发表SCI论文8篇，包括Adv. Mater. (1篇), Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Mater. Horiz. (1篇)，相关工作入选VIP和热点文章，授权发明专利3项。

张东东博士简介

张东东博士，清华大学化学系助理研究员。2011年本科毕业于吉林大学，2016年获得清华大学理学博士学位，2017年9月-2018年9月于日本京都大学做博士后研究。长期从事有机光电材料与器件相关研究，提出了热活化敏化发光新策略，发展了高性能的敏化剂及与之相匹配的窄光谱荧光染料，构筑了高效、稳定、高色纯度的全光色器件，多次刷新国际OLED的性能纪录，为新一代超高清宽色域显示奠定材料和器件技术。2022年获国家自然科学基金委优秀青年基金资助。共发表第一或通讯作者论文60余篇，包括Nat. Mater.; Nat. Photon.; Sci. Adv. （2篇）；Nat. Commun.（3篇）；Chem. （1篇）；Adv. Mater.（15篇）；Angew. Chem. Int. Ed.（12篇）；CCS Chem（2篇）等。论文引用8400余次，h因子50。

段炼教授简介