近日，华南理工大学材料科学与工程土耳其里拉兑换人民币、发光材料与器件国家重点实验室张连杰副教授、和陈军武教授、吴宏滨教授的最新研究成果以“Short-wavelength infrared organic light-emitting diodes from A-D-A’-D-A type small molecules with emission beyond 1100 nm”为题，以扉页文章的形式在国际学术期刊Advanced Materials上发表，并被Nature Reviews Materials以“Efficient infrared emission by molecular design”为题作为研究亮点介绍（https://www.nature.com/articles/s41578-023-00577-7）。该工作通过设计具有D-A效应的分子框架，调控分子光学带隙；利用非共价构象锁，提高扩展π-电子系统的平面度和刚性；合成了一类新型非稠环短波红外发光小分子，结合精心调控的器件结构，构筑了兼具高效率和低效率滚降的短波红外有机发光二极管。

   发射波段位于1000–2000 nm的短波红外OLEDs因其在：环境传感、监控、夜间和汽车视觉、食品和产品质量控制、集成光谱学和3D成像等方面的广泛应用而引起了极大的兴趣。此外，明亮且生物兼容的短波红外OLEDs也有望用于生物应用，例如血氧饱和度测量，光动力疗法，生物医学成像以及手指静脉和虹膜的识别。正是由于其广泛的应用前景，科研界和工业界投入大量精力开发了多类短波红外发光材料，例如基于III-V族化合物的无机半导体，纳米晶体，量子点(QDs)及量子点与钙钛矿形成的异质配合物和以过渡金属配合物为代表的有机金属配合物。然而，受制于昂贵且耗时的外延生长技术以及与重金属相关的生物毒性等问题，仍需要发展廉价、柔性且生物兼容的发光材料。在这方面，基于纯有机荧光材料的短波红外OLEDs被认为特别适用于可穿戴或与生物体接触的设备。然而，受制于“能隙规则”和聚集猝灭等因素的限制，有机短波红外发光材料和器件仍面临相当大的困难。

该项研究中基于新型A-D-A?-D-A结构，将两个环戊二噻吩桥单元通过直接芳基化偶联锚定在中心电子接受单元上，并通过典型的Knoevenagel与二氟茚达烯的缩合反应获得的新型短波红外发光小分子。利用多重D-A效应促进分子内电荷转移，降低分子光学带隙，结合构象锁提高和扩展分子π-电子系统的平面度和刚性。分子几何结构的理论计算表明分子平面性较好，二面角小于0.15°；空穴和电子自然跃迁轨道分布在整个分子骨架上，表明D和A单元之间显著的电子耦合。此外，分子的空穴和电子波函数之间的空间重叠(O_h/e)足够强，因此产生了较大的消光系数和振子耦合强度。

     （c）

图1，(a)NTQ和BTQ的化学结构；(b) BTQ的反应路线；(c) NTQ和BTQ的空穴和电子自然跃迁轨道波函数。

       基于这类新型发光分子的非掺杂器件短波红外发射峰值分别为1140 nm和1175 nm，最大EQE为0.033%，同时器件在整个驱动电流密度范围内的效率滚降可以忽略不计，且最高工作电流密度可达5200 mA cm^-2，低效率滚降特性使得器件最大辐射出射度达到1.12 mWcm^-2，位于目前文献已报道有机短波红外荧光OLEDs最优光输出功率之列。

图2，基于NTQ和BTQ的短波红外发光二极管的性能参数。

受益于匹配的器件能级，高效的载流子注入，器件表现出极低的启亮电压(0.85 V)，是迄今为止整个荧光OLED领域中报告的最低值之一。发射光子速率与电子、空穴的化学势和吸收光谱相关。由于声子的作用，发射光子所需的化学势可能小于带隙能量。研究中通过对分子吸收光谱的拟合计算出启亮电压时器件内电子、空穴的化学势，这接近广义基尔霍夫和普朗克方程得出的物理极限。这项研究为A-D-A?-D-A型小分子作为短波红外发光材料及其创新提供了思路。

      图3，经数值模型仿真得到的器件辐射光谱(a)和辐射亮度与外加偏压的函数关系(b)。

本文博士生刘万胜和硕士生邓燧楠是本研究工作的共同第一作者，张连杰副教授、陈军武教授和吴宏滨教授是本文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部等科研项目以及德赢新版app土耳其里拉兑换人民币人才计划的资助。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202302924