螺环材料是有机光电功能材料中一类特殊的材料。我们以9.9’-螺双芴为例,9,9’-螺双芴垂直的螺环结构可以有效地抑制分子间的π-π堆积效应,从而提高了材料在芳香族溶剂(例如甲苯和氯苯)中的溶解度以及自身的热稳定性。材料自身良好的溶解度与优异的热稳定性,分别在制备旋涂器件或者热蒸镀器件的过程中有利于形成均一的非晶无定形薄膜,进而提升器件的光电转换效率。在研究中我们发现9,9’-螺双芴的电活性能较差,但是我们可以通过对9,9’-螺双芴的两个芴基进行衍生,引入不同的拉电子或者给电子基团,这种情况便可以得到有效地改善。4-苯基-9H-咔唑拥有较强的给电子能力,当螺碳原子两侧为4-苯基-9H-咔唑与芴基时,它可以作为一个具有理想刚性和高荧光量子产率的推电子基团。另外,我们针对9,9’-螺双芴中一侧的芴基上吸收了拉电子基团砜基,另一侧的芴基上引入了三咔唑给电子基团,从而平衡了整个材料的载流子浓度,同时调控了能级。进一步地,我们发现芴螺9-苯基-9H-咔唑单元具有良好的空穴传输性能,通过对其在五个位点上做出衍生,不仅可以提高材料的溶解度,还可以调控材料的能级和空穴传输能力。在本篇论文中,我们基于芴螺苯基咔唑单元开发出了一系列不同的光电功能材料,其中包括深蓝色发光客体材料、全彩色通用主体材料、具备优异空穴传输性能的空穴传输材料等。在第二章中,我们基于芴螺苯基咔唑体系中设计了一个新型的刚性推电子基团,与常用的拉电子基团三嗪结合,合成了两个新型深蓝光的热激活延迟荧光材料4-SCZ和4-SCZ-F,并对他们的光物理、热力学与电致发光性能进行了系统性的研究。最后,我们发现在亚苯基桥上氟原子的引入可以有效地调控材料的单重态与三重态的能隙以及荧光量子产率等性质。同时,此分子设计策略虽然使材料的荧光光谱出现了略微红移的现象,但仍然处于深蓝光区。最终应用于有机发光二极管(OLED)器件中,基于4-SCZ-F材料的器件取得了更优异的器件性能,电流效率/功率效率/外量子效率分别为11.16 cd A-1/9.74lmW-1/7.21%,CIE坐标为(0.16,0.17)。这一结果表明在推电子基与拉电子基之间的亚苯基桥上引入氟原子,可以有效提升深蓝光发光材料的器件性能。在第三章中,我们改变了苯基和9H-咔唑的连接位点,并且在咔唑的3位和6位上引入了推电子基团咔唑。在另一侧的芴基上引入了拉电子基团砜基。因此,我们设计并合成了一个新型的螺环主体材料TCZSO2,这是第一次报道将三咔唑这种推电子基团引入螺环体系。当这个具有优异热力学稳定性的主体材料应用于OLED器件中时,蓝光器件得到了 22.8%的最大外量子效率,同时绿光与红光器件的效率也超过了 20%,分别是24%与21.0%。当我们把器件的亮度提升至实际应用的1000 nits时,尤其是蓝光与绿光器件,他们的效率衰减非常小,基于FIrpic/Ir(ppy)2(acac)的磷光OLEDs器件效率分别为22.7%/24.0%。在更高的5000 nits亮度下,蓝光与绿光器件的效率与其最大值相比仅分别下降了 5.2%和4.9%,这表明器件的效率滚降非常低。这可能和分子内平衡的载流子浓度、合适的能级、优异的热力学特性与良好的成膜性有关。这也是第一次有关于全彩色通用螺环主体的报道。这些优异的结果证明了我们在螺环材料中引入具有高三重态能量的推电子基团,以实现高性能的红绿蓝磷光OLED器件的新型的螺环主体材料的设计策略是非常有效的。在第四章中,我们完美地利用了芴螺苯基咔唑骨架优异的空穴传输性质,设计并合成了可用于太阳能电池中的螺环空穴传输材料SCZF-5。同时为了方便比较,我们设计了一个基于芴螺三苯胺的空穴传输材料SAF-5,结合商业化材料spiro-OMeTAD,我们通过三者在电化学、光物理和器件的测试与表征,系统地研究了基于不同螺环核心的三种空穴传输材料的能级和空穴迁移率等性质与骨架改性之间的关系。通过从SAF到SCZF螺环中心的变化以及与经典的9,9’-螺双芴相比,我们发现在钙钛矿太阳能电池中,材料SCZF-5比SAF-5(13.93%)与spiro-OMeTAD(19.11%)具有更高的的功率转换效率(20.10%)。另外,在器件的稳定性实验中,太阳能电池在均无任何封装技术的支持下,经过200小时的工作之后,基于SCZF-5的电池器件有着最小的效率衰减,这与材料本身疏水性能的提升有关。因此,我们相信,深入探索含咔唑类的新型螺环骨架,将对今后钙钛矿太阳能电池的研究与应用产生重要作用。