Excited-state Relaxation in Thermally Activated Delayed Fluorescence-sensitized Fluorescence Films： The Critical Role of Acceptor Transition Dipole Moment

doi:10.7503/cjcu20250161

Abstract

Abstract:

In thermally activated delayed fluorescence（TADF）-sensitized fluorescence（TSF） systems， the role of acceptor transition dipole moment（TDM） in governing excited-state energy relaxation pathways remains insufficiently understood. To elucidate this mechanism， we constructed TSF films with distinct acceptor TDMs： bis［4-（9，9- dimethyl-9，10-dihydroacridine）phenyl］-solfone/1，3，5，7-tetramethyl-8-phenyl-BODIPY（DMAC-DPS/TMePh-BDP） and 2，6-bis［4-（diphenylamino）phenyl］-9，10-anthraquinone/2，4-bis（4-diethylamino-2-hydroxyphenyl）-squaraine ［AQ（PhDPA）₂/DiEA-SQ］. The excited state relaxation dynamics in these TSF systems was systematically investigated using steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy. The experimental results show that DiEA-SQ with larger TDM effectively suppresses Dexter energy transfer（DET） by enhancing the spectral overlap integral to extend the Förster radius（R₀）. Notably， while high-TDM acceptors can inhibit non-radiative relaxation caused by DET， their photoluminescence quantum yield significantly decreases due to the self-absorption（SA） effect. Our findings suggest that increasing acceptor TDM is an effective strategy to enhance Förster resonance energy transfer（FRET） efficiency and suppress DET， but designing acceptor molecules with large Stokes shifts or targeted optical engineering is essential to mitigate SA effects. This mechanistic understanding provides critical insights for developing TSF optoelectronic devices.

Key words: TADF-sensitized fluorescence, Transition dipole moment, F?rster resonance energy transfer, Dexter energy transfer, Self-absorbance

CLC Number:

O644.12

TrendMD:

DU Min, GUO Zilong, MA Xiaonan, YANG Wensheng. Excited-state Relaxation in Thermally Activated Delayed Fluorescence-sensitized Fluorescence Films： The Critical Role of Acceptor Transition Dipole Moment[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250161.

Figures/Tables 7

References 47

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Molecule	FE（%）	τ_PF/ns	τ_DF/μs	Φ_FRET（%）	10^-7k_ISC/s^-1	10^-5k_rISC/s^-1	10^-8k_FRET/s^-1	R₀/nm	R/nm	10^-5k_DET/s^-1
DMAC⁃DPS	0	13.90	5.36	—	1.65	2.43	—	—	—	—
	0.20	9.64	4.04	30.65			0.32	3.45	3.96	0.44
	0.40	6.90	3.58	50.36			0.73		3.45	0.65
	0.60	5.08	2.32	63.45			1.25		3.15	2.09
	0.80	4.15	2.14	70.14			1.69		3.00	2.41
	1.00	3.52	2.06	74.68			2.12		2.88	2.58
		Φ_F=78.17%， Φ_PF=60.26%， Φ_DF=17.91%
AQ（PhDPA）₂	0	4.83	77.89	—	10.80	0.27	—	—	—	—
	0.02	3.65	72.33	24.43			0.67	5.81	7.02	-0.02
	0.05	2.35	68.04	51.35			2.19		5.76	-0.05
	0.08	1.80	66.54	62.73			3.49		5.33	-0.07
	0.13	1.02	61.56	78.88			7.73		4.67	-0.08
	0.20	0.69	54.30	85.71			12.42		4.31	-0.06
		Φ_F=63.52%， Φ_PF=30.50%， Φ_DF=33.02%

Molecule	FE（%）	τ_PF/ns	τ_DF/μs	Φ_FRET（%）	10^-7k_ISC/s^-1	10^-5k_rISC/s^-1	10^-8k_FRET/s^-1	R₀/nm	R/nm	10^-5k_DET/s^-1
DMAC⁃DPS	0	13.90	5.36	—	1.65	2.43	—	—	—	—
	0.20	9.64	4.04	30.65			0.32	3.45	3.96	0.44
	0.40	6.90	3.58	50.36			0.73		3.45	0.65
	0.60	5.08	2.32	63.45			1.25		3.15	2.09
	0.80	4.15	2.14	70.14			1.69		3.00	2.41
	1.00	3.52	2.06	74.68			2.12		2.88	2.58
		Φ_F=78.17%， Φ_PF=60.26%， Φ_DF=17.91%
AQ（PhDPA）₂	0	4.83	77.89	—	10.80	0.27	—	—	—	—
	0.02	3.65	72.33	24.43			0.67	5.81	7.02	-0.02
	0.05	2.35	68.04	51.35			2.19		5.76	-0.05
	0.08	1.80	66.54	62.73			3.49		5.33	-0.07
	0.13	1.02	61.56	78.88			7.73		4.67	-0.08
	0.20	0.69	54.30	85.71			12.42		4.31	-0.06
		Φ_F=63.52%， Φ_PF=30.50%， Φ_DF=33.02%