有机光电功能材料由于密度低、易修饰、可旋涂等众多优点吸引了大量的关注,虽然已经在有机电致发光二极管(organic light emitting diodes,OLEDs)、有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)和有机场效应晶体管(organic field-effect transistors,OFETs)等领域取得了惊人的进展,但还有许多问题尚未解决:如何定向地设计分子以满足不同的需求?如何基于超分子结构调控光电特性?以及如何解释种种反常的光物理现象?深入研究这些问题,可以带来更多具有实用价值的高性能材料,同时推动有机电子学的进步。苯腈和咔唑是该领域的明星组合,已有大量知名学者展开过系统的研究,然而其潜力仍未被完全发掘。因此,本论文以双咔唑苯腈为核心,通过合理的分子设计,构筑了系列有机发光分子,包括高性能蓝色电致发光材料、多功能刺激变色材料、纯有机室温磷光材料和单分子全彩电致发光材料,具体内容如下:在第二章中,将二苯基吖啶引入双咔唑苯腈和双叔丁基咔唑苯腈,构建了两个热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence,TADF)材料:DPAc-DCzBN和 DPAc-DtCzBN。并提出了给体-受体-保护体(donor-acceptor-protector,D-A-P)的分子设计理念,即将分子的激发态限制在强给受体作用区域(此指吖啶和苯腈),从而使三线态自旋密度分布远离不参与发光的弱给体单元(此指咔唑)。这样可以有效抑制由三线态近距离电荷交换引起的激子淬灭,使电致发光器件具备低效率滚降特性。并且由于咔唑的刚性结构利于材料有序堆积和电荷传输性能,这两个材料构筑的非掺杂器件也有不俗的表现。最终,DPAc-DCzBN的非掺杂器件在(0.16,0.26)的天蓝光色度下,实现了 20.0%的最大外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE),同时在100 cd m-2、500 cd m-2和1000 cd m-2亮度时,EOE仍分别保持19.5%、16.1%和12.6%,该器件是当时所有公开报道中,性能最出色的非掺杂天蓝光TADF器件。而基于DPAc-DtCzBN的掺杂器件更在(0.16,0.15)的纯蓝光发射下,实现了 23.1%的最大EQE,在100 cd m-2和500 cd m-2亮度时仍能保持在18.3%和11.5%,也是当时最高水平的纯蓝光TADF掺杂器件之一。在第三章中,将二苯基吖啶替换为吩恶嗪,设计了两种多功能材料,PXZ-DCzBN和PXZ-DtCzBN。这两者不仅具备TADF特性,还具备刺激变色(Mechanochromic Luminescence,MCL)性质,其中PXZ-DCzBN在不良溶剂刺激下能够产生可调节的白光发射,十分罕见。通过荧光显微镜原位检测PXZ-DCzBN在不良溶剂中的变色行为,发现这是固体样品发生的重结晶过程,高清荧光显微镜和扫描电镜照片都从形貌的变化上证实了这一猜测。进而,结合两个分子的单晶结构分析,提出了重结晶诱导分子构象异构化的机理,部分吩恶嗪单元会从平面构象(eq)转变成扭曲构象(ax),导致构象异构体共存。由于PXZeq-DCzBN为绿光发射,PXZax-DCzBN是蓝光发射,两者混合即可产生白光。而调节重结晶程度(通过控制超声、加热以及处理时间等)可以有效控制两种构象的比例,以达到调节白光光谱的效果。通过理论计算,并结合粉末X射线衍射和差示扫描量热法,从理论和实验两个层面证明了这一解释的正确性。除此之外,由于D-A-P策略,PXZ-DCzBN的非掺杂器件表现十分出色:其EOE值在亮度 100 cd m-2、1000 cd m-2 和 10000 cd m-2 时分别保持在 13.6%、12.8%和 10.0%的水平,如此低的效率滚降意味着,这是最优秀的橙光非掺杂TADF器件之一。在第四章中,将吩恶嗪替换为二苯胺和叔丁基二苯胺,设计了四种具有刺激变色特性的纯有机室温磷光(room-temperature phosphorescence,RTP)材料。合成过程中,分别使用商业购买咔唑和实验室合成咔唑进行制备,以研究商业咔唑中杂质对RTP特性的影响。其中,前者记为分子1-4,后者记为分子1’-4’。简而言之,在两类材料的核磁、质谱、元素分析甚至单晶结构都完全一致的前提下,表现出截然不同的光物理特性。以1号材料为例,分子1的单晶具备典型的双发射白光特性,其短波发射为荧光,长波发射为室温磷光,Φp(磷光效率)=16.5%,τp(磷光寿命)=0.11 s;分子1’的单晶(和分子1的单晶结构完全一致)也表现出双发射特性,但光谱和前者截然不同,它的室温磷光发射具有更高的比重,其ΦP=27.3%,τp=78.60 μs。单就材料性能而言,分子1-4的固体样品实现了μs-s级的寿命可调的高效率室温磷光发射,分子1’-4’的固体样品则实现了μs级的高效率室温磷光发射。我们详细地研究了这两个系列材料的溶液及固体光物理性质和常数,并结合DSC、XRD、单晶分析和理论计算等手段深入研究了两者的室温磷光特性,得出了以下结论:1.纯咔唑类材料可以实现高效率室温磷光发射;2.商业咔唑中的杂质会导致RTP寿命延长、峰位红移、光谱变宽,由于此时的磷光是目标分子和杂质共同作用的产物,所以不同堆积状态会导致光谱出现很大变化;3.由于只有分子1表现出长余辉特性,我们推测杂质和目标分子的作用方式比较依赖π-π堆积,故而在商业咔唑制备的RTP材料中,合理引入叔丁基可以有效地调控磷光特性;4.叔丁基的引入会导致分子振动增强,在设计相应分子时需慎重。在第五章中,通过双咔唑苯腈单元的偶联,开发了一个高度对称的TADF分子。4CzDBN的四个刚性咔唑基团易于形成强分子间π-π相互作用,提供了通过控制超分子结构以调节发光特性的渠道。该分子在甲苯溶液中的发射峰位为492 nm,粉末为544 nm,晶体为585 nm。同时随掺杂浓度提高,薄膜的发射也从494 nm红移至554 nm,这都意味着4CzDBN的聚集态结构对其激发态性质有不可忽视的影响。单晶结构显示,单体中的咔唑会和临近的咔唑形成不间断的强π-π相互作用,贯穿整个晶体,这是导致4CzDBN聚集时光谱红移的原因。DFT计算发现,随着聚集程度的提高,会逐渐发生分子间电荷转移,进一步导致光谱红移。最终基于4CzDBN,我们成功构建了第一个单发光材料的全彩OLED。随着掺杂浓度的提高,相应的电致发光峰位从480 nm红移至580 nm,覆盖了天蓝光到橙红光的范围。5 wt%浓度时,为标准的天蓝光发射(0.19,0.36),EQEmax=18.3%;15 wt%和30 wt%浓度时,光谱分别为蓝绿光(0.24,0.47)和绿光(0.31,0.50),EOEmax分别等于 16.2%和 8.2%;60 wt%和 100 wt%浓度时,光谱分别为黄光(0.40,0.54)和橙红光(0.48,0.51),EQEmax均为2.3%。