最近，来自名古屋大学、九州大学的研究团队报道了一套基于图神经网络（GNN）的高通量分子发掘方案，成功得到不含硼元素的窄带蓝光热活化延迟荧光（TADF）发光分子。该类分子仅依靠氮原子多环骨架，实现满足Rec.2020标准的高色纯度蓝光发射，同时具备较小的单重态‑三重态能隙ΔE_ST，为下一代广色域OLED显示提供全新材料路线，相关成果发表于《Angewandte Chemie International Edition》。
多重共振热活化延迟荧光（MR‑TADF）是实现高色纯度OLED的核心技术。目前高性能超窄带蓝光MR‑TADF分子大多需要引入硼原子，但硼基分子合成难度高，制约材料规模化开发。咔唑类多环芳烃（Cz‑PAH）仅由碳、氢、氮构成，可实现类多重共振轨道分布，具备窄带发光潜力，但多数已报道分子单重态‑三重态能隙ΔE_ST偏大，逆向系间窜越效率受限，难以兼顾窄光谱、小ΔE_ST与蓝光发光三大指标。传统试错式合成与大规模高精度量子化学计算都存在效率瓶颈，亟需机器学习赋能的高通量筛选手段。
研究团队选定13元稠环咔唑多环芳烃（13‑ring Cz‑PAH）作为目标化学空间。该骨架刚性充足，能够实现深蓝窄带发光，同时兼顾合成可行性与器件加工性能。研究人员通过递归环融合方式穷举生成共计19518个13元Cz‑PAH分子结构，构建专属虚拟分子库。
团队随机选取约1000个分子开展高精度量子化学计算，采用TDDFT获取发光能量、SCS‑CC2计算单重态‑三重态能隙ΔE_ST，其中944个分子计算收敛，作为图神经网络M3GNet的训练数据集。训练完成的GNN模型对剩余17433个分子完成全域性质预测，实现分子库快速分级筛选，跳过大量耗时昂贵的第一性原理计算。
图1：无硼TADF发光分子完整发现流程：(1) 穷举生成13元Cz‑PAH分子库；(2) 量子化学标注获取光物理参考数据集；(3) 图神经网络训练与全库预测；子图b为分子库内咔唑 (Cz)
、吲哚并咔唑 (ICz) 单元的数量统计分布
测试集结果显示，模型对发光能量λem的决定系数R²=0.80，对ΔE_ST的决定系数R²=0.76，具备可靠的预测能力。全库预测揭示了一项关键规律：发光能量与单重态‑三重态能隙存在显著负相关（皮尔逊相关系数 R=-0.75）。该现象无法用简单HOMO‑LUMO单激发模型解释，证明S₁激发态存在显著的组态混合效应；同时也说明，在蓝光区间内，小ΔE_ST的候选分子更多集中在短波（更蓝）一侧，为蓝光TADF分子设计提供明确理论指引。
图2：(a) 全部174333个分子的GNN预测发光能量、ΔEST分布；(b) 全库 λem‑ΔEST散点图，R=-0.75；右侧局部放大为蓝光窗口（λ_em=2.4‑3.0eV，ΔE_ST<0.5eV）区域
基于GNN初筛结果，研究人员对预测得到的前50个低ΔEST候选分子开展更高精度SCS‑CC2复核，结合合成可行性评估，最终锁定两个目标分子Candidates02、05。团队合成N‑苯基封端衍生物Cz‑PAH‑1、Cz‑PAH‑2，苯基封端用于提升分子稳定性与真空蒸镀加工性，同时保留母体骨架电子特性。
溶液态测试表明，Cz‑PAH‑1、
Cz‑PAH‑2实现深蓝窄带光致发光，发射峰值分别为448nm、473nm，半高宽仅17nm、19nm；实验测得ΔEST分别为0.13eV、0.19eV，满足TADF的小能隙需求。1wt%掺杂mCPBC薄膜中，两种分子光致发光量子产率ΦPL高达93%与99%；时间分辨光致发光观测到明显延迟荧光组分，延迟寿命分别为22μs、15μs，直接证实TADF效应。热重分析证实两种材料热分解温度Td分别达到446℃、472℃，适配OLED真空蒸镀工艺。
图3：(a) 分子结构以及365nm紫外照射发光照片；(b) 理论模拟发射谱；(c) 甲苯溶液实测光谱；(d) 掺杂薄膜光致发光谱；(e) 纳秒‑微秒尺度瞬态PL衰减曲线
研究进一步制备OLED器件评估电致发光性能。A、B器件直接以Cz‑PAH‑1、Cz‑PAH
‑2作为TADF 光客体。器件A电致发光峰λEL=456nm，CIE色坐标 (0.139,0.069)，十分接近 Rec.2020蓝光原色坐标 (0.131,0.046)，最大外量子效率EQEmax=17.2%；器件B发光峰481nm，EQEmax=24.0%。
为进一步提升器件效率，团队引入超荧光（Hyperfluorescence）架构，使用p4TCzPhBN作为TADF敏化剂构建C、D器件。借助Förster共振能量转移，敏化剂将激子高效传递给窄带发光客体，保留客体窄带发射特征同时大幅提升激子利用率。器件D最大外量子效率可达35.2%，并且高亮度下效率滚降得到明显抑制。
图4：A‑D四款OLED器件性能；(a) 器件能级与结构；(b) 器件所用材料化学结构；(c) 电致发光光谱；(d) 电流密度‑电压‑亮度曲线；(e) 外量子效率‑亮度曲线；(f) 器件发光实拍与CIE色度图
该工作建立一套完整可复现的机器学习驱动无硼窄带蓝光TADF分子发现流程：从大规模分子穷举、量子化学标注、图神经网络预测筛选，再到化学合成与OLED器件验证。研究拓展仅含C/H/N元素的多环芳烃发光材料设计空间，得到的分子无需硼元素即可实现接近Rec.2020的高色纯度蓝光，最高器件外量子效率达35.2%。文章附带包含近2万条分子的数据库，可为有机光电领域提供公开参考资源。该策略也可迁移至其他杂原子稠环芳烃体系，缩短高性能有机发光材料从虚拟筛选到实验验证的研发周期。
DOI：10.1002/anie.2731055
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