2025年6月9日，日本九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《自然?通訊》（Nature Communications）發(fā)表重要研究成果，宣布成功構(gòu)建一種高精度分析模型，系統(tǒng)闡釋有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）材料中激子動(dòng)力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。該研究為提升OLED器件使用壽命提供了關(guān)鍵理論支撐，并有望加速高性能有機(jī)發(fā)光材料的研發(fā)進(jìn)程。

    激子動(dòng)力學(xué)機(jī)制：OLED材料性能優(yōu)化的核心科學(xué)問題
    OLED器件的發(fā)光原理基于激子（exciton）的能量躍遷過程：當(dāng)材料中的電子吸收能量躍遷至高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）后，返回基態(tài)時(shí)釋放能量并產(chǎn)生熒光。在熱激活延遲熒光（TADF）材料中，激子存在單重態(tài)（S?）與三重態(tài)（T?）兩種能量狀態(tài)，其中僅單重態(tài)激子的輻射躍遷可直接產(chǎn)生熒光。而三重態(tài)激子通過反向系間竄越（RISC）過程轉(zhuǎn)化為單重態(tài)激子的效率，直接決定了材料的內(nèi)部量子效率上限。因此，準(zhǔn)確解析單重態(tài)與三重態(tài)之間的能量差（ΔE??），成為評估TADF材料發(fā)光效率及指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)的核心科學(xué)問題。
    傳統(tǒng)理論計(jì)算方法基于量子化學(xué)模型預(yù)測ΔE??時(shí)，受限于復(fù)雜電子行為的精確描述難度，通常需引入簡化假設(shè)，導(dǎo)致理論預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測量值存在顯著偏差。正如研究團(tuán)隊(duì)成員、九州大學(xué)助理教授土屋雄一（YouichiTsuchiya）所指出："現(xiàn)有計(jì)算框架難以完整刻畫多電子體系的激發(fā)態(tài)行為，迫使研究者在降低計(jì)算成本與保證數(shù)據(jù)精度之間進(jìn)行權(quán)衡，這直接導(dǎo)致新材料開發(fā)過程中理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的循環(huán)迭代效率低下。"

    基于物理化學(xué)理論的激子動(dòng)力學(xué)模型重構(gòu)
    針對上述挑戰(zhàn)，九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于物理化學(xué)基本原理，建立了包含三重態(tài)激子動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移過程的全新分析模型。該模型通過構(gòu)建多能級能量轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)方程，系統(tǒng)整合溫度依賴性、溶劑效應(yīng)及分子間相互作用等關(guān)鍵參數(shù)，成功解決了傳統(tǒng)方法中"負(fù)活化能"預(yù)測偏差問題，實(shí)現(xiàn)了對ΔE??的高精度計(jì)算。
    實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，新模型的預(yù)測精度較傳統(tǒng)方法提升逾30%，同時(shí)將計(jì)算成本降至原方法的五分之一。以某典型TADF材料體系為例，模型預(yù)測的ΔE??值為0.049eV，與實(shí)驗(yàn)測量值的吻合度達(dá)到98.7%，而采用傳統(tǒng)密度泛函理論（DFT）計(jì)算的誤差則高達(dá)0.12eV。這種理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高度一致性，為精準(zhǔn)評估材料發(fā)光性能及優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)提供了可靠的定量分析工具。

    推動(dòng)OLED技術(shù)發(fā)展的雙重應(yīng)用價(jià)值
    該研究成果在基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用層面均具有重要意義：
    （一）器件壽命優(yōu)化的理論突破
    通過精確調(diào)控ΔE??值，可有效抑制三重態(tài)激子與載流子極化子的湮滅反應(yīng)（TPA過程），這一機(jī)制是導(dǎo)致OLED材料老化的主要因素之一。參考相關(guān)研究案例，當(dāng)ΔE??降低至0.05eV以下時(shí)，藍(lán)光OLED器件的LT95壽命（亮度衰減至初始值95%的時(shí)間）可從6.9小時(shí)提升至221小時(shí)。本研究建立的模型為這類分子設(shè)計(jì)策略提供了更精準(zhǔn)的理論指導(dǎo)，有望推動(dòng)長壽命OLED器件的實(shí)際應(yīng)用。
    （二）材料開發(fā)范式的革新
    傳統(tǒng)TADF材料研發(fā)依賴"試錯(cuò)法"，而新模型可通過理論計(jì)算直接預(yù)測材料的關(guān)鍵性能參數(shù)。例如，國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)基于類似理論框架開發(fā)的紅光TADF材料，其ΔE??值低至0.04eV，外量子效率達(dá)到28.5%，突破了傳統(tǒng)"能隙定律"的限制。這種"理論計(jì)算-分子設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證"的閉環(huán)模式，將顯著縮短新材料的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

    面向未來的研究展望：AI驅(qū)動(dòng)的材料設(shè)計(jì)革命
    研究團(tuán)隊(duì)透露，下一步將致力于構(gòu)建融合人工智能（AI）技術(shù)的材料性能預(yù)測平臺。計(jì)劃通過整合多維度激子動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)從分子結(jié)構(gòu)參數(shù)到器件性能指標(biāo)的直接映射。這一研究方向與國際前沿進(jìn)展形成協(xié)同——韓國中央大學(xué)近期開發(fā)的AI模型已實(shí)現(xiàn)對藍(lán)色OLED三重態(tài)融合速率99.2%的預(yù)測準(zhǔn)確率。通過結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，未來有望構(gòu)建覆蓋材料設(shè)計(jì)、性能預(yù)測及器件優(yōu)化的全鏈條智能化體系，推動(dòng)有機(jī)光電子領(lǐng)域從"經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)"向"數(shù)據(jù)-理論雙輪驅(qū)動(dòng)"的研究范式轉(zhuǎn)變。
    "我們的目標(biāo)是建立激子動(dòng)力學(xué)的普適性分析框架，"土屋雄一表示，"通過跨學(xué)科方法的深度融合，最終實(shí)現(xiàn)新材料開發(fā)的精準(zhǔn)化與高效化。"隨著該模型在更多TADF材料體系中的驗(yàn)證與應(yīng)用，OLED技術(shù)在柔性顯示、固態(tài)照明及量子信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用邊界將進(jìn)一步拓展。
    本研究成果已于2025年6月9日正式發(fā)表于《自然?通訊》