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图. a)自由基TTM、TTM-3NCz和TTM-3PCz的分子结构； b）基于TTM-3NCz、TTM-3PCz的OLED的能级结构和EQE曲线
在国家自然科学基金项目（项目编号：51673080、91233113）等资助下，吉林大学化学学院、超分子结构与材料国家重点实验室李峰教授团队与剑桥大学卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）Richard H. Friend教授团队合作，开发出高效自由基发光材料，制备出外量子效率（EQE）高达27%的自由基双线态发光器件。研究成果以“Efficient Radical-based Light-emitting Diodes with Doublet Emission”（高效双线态自由基发光二极管）为题，于2018年11月22日在Nature（《自然》）杂志在线发表。论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-018-0695-9。
发光器件是显示与照明领域中的关键元件，相比于传统发光二极管（LED），基于有机发光材料的有机发光二极管（OLED）因具有对比度高、超薄以及可弯曲等优点，在显示与照明领域拥有巨大的应用价值与市场前景，并已部分应用于手机、手表、电视等设备的显示屏幕。如何提高发光效率，是OLED基础研究领域的关键科学问题。在OLED中，三线态激子生成比例高达75%，却通常因跃迁禁阻而不发光。因此，如何利用三线态激子实现100%的内量子效率（IQE）是OLED领域近30年来的研究热点和难点。迄今为止，科学家们主要采用磷光和热活化延迟荧光（TADF）的发光方式，利用电致发光过程中产生的单线态和三线态激子实现100%的IQE。李峰教授团队在研究中独辟蹊径，跳出了“利用三线态激子”的思维模式，提出了双线态激子发光的OLED发光新原理，利用自由基发光材料在OLED的发光区中只形成跃迁过程中无自旋禁阻问题的双线态激子，其OLED器件的IQE值理论上为100%。
在前期研究的基础上，李峰教授团队以TTM自由基（Radical）作为核心，分别以PCz和NCz两个咔唑衍生物作为给体（Donor），得到了两个高效的电荷转移态（CT）红光自由基TTM-3NCz和TTM-3PCz（如图a所示）。这种Donor-Radical结构的分子设计大幅提高了发光自由基分子的稳定性和发光效率，两个分子在甲苯溶液中的光致发光效率分别达到49%和46%，其掺杂薄膜的光致发光效率分别达到90%和61%。通过与剑桥大学Richard H. Friend教授团队合作，以TTM-3NCz、TTM-3PCz掺杂薄膜为发光层制备的OLED器件，最大EQE分别达到27%和17%（如图b所示），其中27%的EQE已接近100%的IQE理论极限值，是目前已报道的深红光/近红外光发光二极管IQE中的最高值。同时，瞬态光谱和理论计算结果表明：器件的发光是源于自由基双线态激子SOMO→HOMO的跃迁。该研究成果是OLED研究领域的重大突破，展示了发光自由基在有机光电领域巨大的应用价值，为OLED的研究开辟了新的方向。