基于芳酰亚胺类受体的TADF分子设计合成及其在OLED器件中的应用

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有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diodes,OLEDs)具有低能耗、色域高、发光效率高、柔韧性好、能够自主发光等优点,在电视、手机、电脑、数码相机、智能包装等显示领域发挥着重要作用。目前用作OLED器件发光层的发光材料主要为荧光材料和磷光材料,其中,荧光OLEDs的理论最大外量子效率(External Quantum Efficiency,EQEmax)仅为5%,无法将其应用到日常生产中。而磷光OLEDs要达到理论100%内量子效率需要引入贵金属,大大增加了造价成本,十分不利于大规模工厂生产。相比较荧光OLED的低效率和磷光OLED的高成本,热激活延迟荧光(Thermally Activated Delayed Fluorescence,TADF)分子当受到电激发时,它能够同时利用三重态激子和单重态激子,从而达到理论上100%的内量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE),被称为第三代OLED器件,此外,由于TADF分子具有结构简单,容易合成等特点,得到了广泛的研究和关注。经过研究表明,高效的TADF分子需要分子具有较小的能级差ΔEST,而给-受体(D-A)结构可通过调控最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)和未占有电子的能级最低的轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital,LUMO)分离和重叠程度来获得较小的ΔEST。对分子内D-A型TADF材料而言,可以通过选择合适的给体和受体、特殊的键接方式、特殊的分子构型来实现给体和受体的分离,选择合适的给体和受体单元可以引起较大的空间位阻或结构扭曲,从而实现HOMO与LUMO的能级分离。因此,如何扩展给体和受体的种类去得到更加优化的分子结构,设计出具有高效率的TADF分子仍然是个挑战。本论文从TADF分子设计的角度出发,通过引入具有优异的光电性能的芳酰亚胺类受体基团,合成出一系列具有简单结构、光电性能优良的TADF分子,并将其成功用于OLED器件中,本文的主要内容与研究结果如下:1)经过简单的两步合成,得到了一种新型的以芳酰亚胺为电子受体,四个咔唑基团作为电子给体的TADF分子AI-4Cz。研究结果表明这个TADF分子表现出很好的热稳定性和电化学性质,具有聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission,AIE)性质,它在掺杂膜中的量子产率达到了76%。此外,单晶结果显示,芳酰亚胺与咔唑亚基之间存在较大的扭转角,有利于HOMO和LUMO的分离,使得单重态-三重态能级差ΔEST较小,为0.02 e V。AI-4Cz具有明显的微秒级延迟荧光寿命。然后,制备了基于AI-4Cz的黄光OLED,其电致发光波长为560 nm,最大EQE为16.7%。此外,采用双发射层策略,以AI-4Cz和DMAC-DPS为发射掺杂剂制备了白光OLED(White Organic Light-Emitting Device,WOLED),得到了色坐标为(0.30,0.40),显色指数值(Color Render Index,CRI)为66,最大EQE为13.6%。2)基于芳酰亚胺受体设计并合成了两对具有CPL性质的对映体,通过对其光物理性质的表征,结果表明这两对对映体的ΔEST非常小,分别为0.04 e V和0.09 e V,保证了其TADF的性质。其中一对对映体的光致不对称因子glum为±2.5×10-3,将其中一种对称结构的分子掺杂在m CBP主体材料制备OLED器件,EQE达到13.7%。
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