Molecular Factors Governing the Stability of Thermally Activated Delayed Fluorescence Materials

Abstract

Organic light-emitting devices (OLEDs) containing organic molecules that exhibit thermally activated delayed fluorescence (TADF) surpass conventional OLEDs with respect to efficiency and color purity. One challenge to the commercialization of OLEDs that remains to be addressed is their operational stability. We investigated the molecular factors that govern the stability of various archetypal TADF molecules based on a donoracceptor platform. A variety of cycloamino donors were employed to assess the influence of stability of molecular parameters of these molecules, particularly their structural, electrochemical, and excited-state properties. Our results reveal that the excitonic degradation of these molecules involves scission of the CN bond that tethers the cycloamino donor. The rates and photochemical quantum yields of this degradation vary by over three orders of magnitude. The kinetic degradation parameters are positively correlated with the operation lifetimes of the devices containing the molecules, which demonstrated that the intrinsic stability of the materials is crucial to device longevity. Contrary to common belief, material and device stabilities do not decrease with the energy and lifetime of the fluorescent state of the compounds. Our structural and spectroscopic experiments and quantum chemical calculations show that their stability is governed by the conformeric heterogeneity between the pseudo-axial and -equatorial forms of the cycloamino donor. Spontaneous bond dissociation occurs in the latter (i.e., the pseudo-axial form), but irreversible degradation is disfavored in the pseudo-equatorial form. The validity of this mechanism is unambiguously supported by the linear relationship between conformeric abundance and device lifetime. These unprecedented findings provide valuable insights into the design of stable TADF molecules.;열활성 지연 형광(TADF)의 유기 분자를 이용하는 유기발광장치(OLED)는 효율성과 색 순도 면에서 기존 OLED를 능가한다. 하지만, OLED를 상용화하기 위한 과제 중 하나는 소자의 안정성이다. 전자주개(donor)와 전자받개(acceptor) 형태에 기반한 다양한 TADF 원형 분자의 안정성을 좌우하는 분자 인자를 조사했다. 구조적, 전기화학 및 여기 상태 특성에 따른 분자 매개변수의 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해 사이클로아미노기를 가지는 전자주개가 이용되었다. 우리의 결과는 이 분자들의 사이클로아미노기의 전자주개에 연결된 CN 결합이 분열되어 엑시톤 상태의 열화가 일어난다는 것을 보여준다. 이 열화 속도와 광화학 양자 수율은 분자에 따라 세 배 이상의 차이를 보여준다. 동 분해 변수는 분자를 포함하는 소자의 작동 수명과 상관관계를 가지며, 이는 물질 고유의 안정성이 소자 수명에 매우 중요하다는 것을 입증한다. 일반적인 생각과는 달리 재료와 소자 안정성은 화합물의 형광 상태의 에너지와 수명에 따라 감소하지 않는다. 우리의 구조 및 분광학적 실험과 양자 화학적 계산은 그 안정성이 사이클로아미노기 전자 주개의 축방향과 적도방향 형태 사이의 이형태성에 의해 좌우된다는 것을 보여준다. 축방향 형태에서 자발적인 열화 현상이 발생하지만, 적도방향 형태에서는 비자발적인 열화가 일어나지 않는다. 이 메커니즘의 유효성은 이형태체와 소자 수명 사이의 선형 관계에 의해 명확하게 규명된다. 본 연구는 안정적인 TADF 분자 설계에 기여할 것으로 예상된다.