兼具IE和TADF性能的咔唑—吖啶化合物的合成和性能研究

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自C.W.Tang于1987年制备出高效的双层电致发光器件开创有机电致发光新纪元以来,人们开始认识到OLED的潜力,并致力于探索高性能电致发光材料以及开发用于制造器件的技术。直到进入如今的信息化时代,基于OLED的高性能显示面板已经在手机,数码相机和电视机应用中取得巨大成功。而作为OLED最核心的部分,发光层材料的选择直接决定着器件的发光性能。在2001年唐本忠课题组首次报道的聚集诱导发光(AIE)现象提供了通向多种发光材料的通道。当在良溶剂中溶解时,AIE分子不发光或微弱发光,而它们在不良溶剂或固态下发光却明显增强。由于AIE分子完美地解决了聚集诱导淬灭(ACQ)问题,因此这种材料在化学、生物传感,细胞成像和OLED等应用中具有很广阔的前景。热激活延迟荧光材料(TADF)具有很小的单-三重态能隙(ΔEST)。在环境热的作用下,三重态激子有效地上转换为单重态激子发光,从而收获单线态和三线态激子,理论上实现接近100%的内量子效率(IQE)。基于这两种材料的不同特性,结合具有AIE特性的化合物和具有TADF特性的化合物,设计兼具AIE和TADF性能的新型有机发光材料。这种材料不仅解决了传统发光材料的ACQ效应,同时还打破了传统发光材料激子利用率25%的限制,为实现高效的电致发光器件提供了一种可行途径。咔唑具有很好的空穴传输能力,二苯甲酮是一种常用的受体单元。本论文通过对二苯甲酮进行修饰,设计合成了一种包含咔唑结构和吖啶结构的新型AIE-TADF材料。其结构通过元素分析,NMR光谱和质谱进行表征。此外,还系统地研究了其热稳定性,光物理性质,电化学性质以及电致发光(EL)等性能。具体包含以下内容:(1)详细介绍了OLED的发展历史,发光机理和器件结构;详细概述了聚集诱导发光材料和热活化延迟荧光材料的发光机制和研究进展;此外,总结了AIE-TADF材料的分子设计和研究现状。在此研究基础上,最终提出了本论文的设计思路。(2)通过改性Ullmann偶联反应、亲核加成、氧化反应等方法设计合成了以咔唑为骨架,二苯甲酮为受体,9,9-二甲基-9,10-二氢吖啶为供体的D-A-D’型AIE-TADF分子DCPDAPM。该结构通过元素分析,NMR光谱和质谱进行了详细表征。此外,还系统地研究了DCPDAPM的电子构型,热稳定性,光物理和电化学性质。研究结果表明,DCPDAPM的扭曲构象可以降低π-π相互作用和ACQ效应,小的ΔEST确保了RISC过程的实现证明了TADF属性的潜力。此外,该化合物在不同THF/水比溶液中的光致发光行为也证实了其AIE效应。通过测试DCPDAPM的荧光和磷光光谱,估算得到了固态下DCPDAPM小的ΔEST,其次,还通过测试该化合物的氧敏感性和温度依赖性进一步证实了它的TADF特性。总之,DCPDAPM是非常适合应用于发光器件的新型AIE-TADF材料。(3)制造了基于DCPDAPM作为发光层的非掺杂器件A和按不同比例掺杂于CBP中的器件B、器件C和器件D。并全面地测试和研究了它们的电致发光(EL)性能。其中,非掺杂器件A的最大亮度为123371 cd m-2,最大电流效率为26.88 cd A-1,最大功率效率为15.63 lm W-1,外量子效率为8.15%。掺杂6%的器件B的最大亮度为67875 cd m-2,最大电流效率为40.68 cd A-1,最大功率效率为25.55 lm W-1,外量子效率为13.31%。掺杂10%的器件C的最大亮度为89010 cd m-2,最大电流效率为50.14 cd A-1,最大功率效率为31.49 lm W-1,外量子效率为16.18%。掺杂20%的器件D的最大亮度为116100 cd m-2,最大电流效率为61.83 cd A-1,最大功率效率为40.45 lm W-1,外量子效率为19.67%。这些测试结果说明,非掺杂和掺杂器件都表现出了优异的EL性能。
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