近年来新兴“多重共振（MR）”发光材料通常表现出极窄的发光光谱，同时还能够表现出一定的热活化延迟荧光（TADF）特性，应用于有机电致发光（OLED）技术中，有望实现满足超高清显示需求的高效、高色纯度发光。然而，目前报道的相关设计策略大多还停留在化学结构扩展层面，对于分子结构与光物理性能的深层内在关联认识不足，尤其是在此类大共轭材料体系中实现小的单-三重态能隙及其内在理论机制，传统的理论难以解释这一现象。

2025年7月25日，苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）的张晓宏、陈先凯、王凯教授团队与日本九州大学的Chihaya Adachi教授等合作，提出并验证了一种描述MR发光材料中“小单-三重态能隙（ΔE_S1T1）”来源的物理模型，并基于此精准设计合成了一系列全光色MR发光材料，为面向超高清显示的OLED材料的设计发展开辟了新道路。该成果以“Achieving small singlet–triplet energy gaps in polycyclic heteroaromatic emitters”为题发表在Nature Materials期刊上。

图1：传统单电子激发模型（左）与新提出的多电子激发模型新模型（右）比较。

在OLED器件中，电致激发产生的激子有25%是单线态，75%是三线态。单线态可以直接发光，而三线态是“暗态”，无法直接发光。TADF机制的核心是通过反向系间窜越（RISC）过程将三线态激子转化成单线态，从而实现100%的激子利用。决定RISC速率关键因素之一是最低激发单线态（S₁）和最低激发三线态（T₁）之间的能量差（ΔE_S1T1）。ΔE_S1T1越小，RISC速率越高。根据传统理论，ΔE_S1T1 = 2K_HL，其中2K_HL是最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）之间的电子交换能。因此，传统的TADF发光材料需要通过分离HOMO和LUMO，减小ΔE_S1T1。但这通常会导致辐射跃迁速率降低和光谱展宽，成为其商业化应用的主要障碍。

与D-A型TADF发光材料不同，新型的MR发光材料HOMO和LUMO轨道交叠显著，其2K_HL值较大。按照传统理论，其ΔE_S1T1也应该很大，这与其实验上较小的ΔE_S1T1值不符。本文的研究团队敏锐地意识到，对于这类结构高度刚性的稠环体系，其激发态不再局限于单电子的HOMO→LUMO电子跃迁，更高能级的激发组态（如HOMO→LUMO+1）对S₁态同样有重要的贡献。基于此，团队建立了一个全新的物理模型。在该模型中，S₁能级由于受到了来自HOMO→LUMO+1等其他跃迁态的电子相互作用，其能级会发生显著下降，而T₁能级基本不受影响。这相当于在原有的物理模型上引入了一个“修正项（ΔE_corr）”。

ΔE_corr的大小，与LUMO和LUMO+1之间的能量差（ΔE_LUMO-LUMO+1）密切相关。ΔE_LUMO-LUMO+1越小，传统模型预测的能隙误差就越大。这完美地解释了MR发光材料为何能在具有较大的2K_HL值的同时，依然能获得极小的ΔE_S1T1。随后，研究团队利用他们的新模型，对近百个已报道的MR分子进行了检验。模型的预测值与实验值高度吻合，证明了其普适性和准确性。

图2：实验报道的MR型分子的ΔE_S1T1、2K_HL和ΔE_{LUMO–LUMO+1}之间的关系。

更重要的是，这一模型阐明了小ΔE_S1T1 MR材料的设计路径，即协同调控2K_HL和ΔE_LUMO-LUMO+1。

图3：小ΔE_S1T1的MR型分子的分子设计原理。

遵循这一思路，团队设计合成了蓝光MR发光材料IV-DABNA，其理论模型预测的ΔE_S1T1（0.02 eV）与实验值高度吻合。基于IV-DABNA的OLED器件最大EQE接近40%，且在1000 cd/m²的高亮度下EQE仍达到38%，超越了大多数已报道的蓝光MR材料。

图4：新模型指导下的明星分子IV-DABNA及其卓越的OLED器件性能。

总结与展望

这项工作从最基本的物理层面出发，阐明了MR发光材料“小ΔE_S1T1”的起源，为高效、高色纯度MR材料的开发提供了坚实的理论基础和清晰的设计蓝图。研究团队不仅提出了一个创新的物理模型，更通过一系列高性能MR分子实例证明了其普适性和有效性。该工作有望加速新型MR发光材料的筛选和开发进程，推动OLED技术在超高清显示、固态照明和柔性电子等前沿领域的应用迈上新台阶。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02309-4