基于不同分子设计策略调控的高效热活化延迟荧光材料的研究

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有机发光二极管(OLED)具有能耗小、响应速度快、自发光等诸多优点,是新一代的固态照明和平板显示设备。热活化延迟荧光(TADF)材料作为第三代发光材料,既可以像磷光材料能实现100%的内量子效率(IQE),又不含贵金属,兼具廉价和高效的优势,是产业界和科研界共同的研究热点。TADF材料的研究已经取得了很大的进展,但仍面临许多共性难题,例如传统分子设计往往难以同时实现大的辐射跃迁速率常数(kr)和小的单-三重态能级差(ΔEST);此外,TADF材料由于其微秒甚至毫秒级别的长寿命,在高电流密度或高掺杂浓度下效率滚降严重。因此,本文针对这些难点,采用不同的分子设计策略,并结合量化计算、光物理性质测试以及电致发光器件等表征手段,设计、制备高效蓝光TADF材料以及适用于非掺杂器件的TADF材料。主要研究内容包括:(1)利用分子内氢键作用调控分子的激子动力学参数,以砜基为受体,引入N原子,将苯环替换成吡啶环为桥联基团,设计、制备了蓝光TADF材料SON-Cz、SON-t Bu Cz和SON-Ph Cz。吡啶环N原子与咔唑1-位H原子之间的分子内氢键显著增强了分子刚性,抑制了激子的非辐射跃迁(knr),并且增加了振子强度,从而增大了kr。此外,尽管分子内氢键使供-受体间的扭转角变小,但N原子的引入使受体吸电子能力增强,导致ΔEST减小和TADF性质增强;同时,由于分子的跃迁偶极矩变大,分子的发光量子效率(PLQY)明显提高。基于SON-t Bu Cz和SON-Ph Cz的蓝光OLED器件外量子效率(EQE)达到了29.59%(49.33 cd A-1)和28.22%(65.65 cd A-1),在相似光色的天蓝光TADF材料中处于较高的水平。此外,以SON-t Bu Cz和4Cz TPN-Ph构建的二元白光OLED(WOLED)同样也获得高达23.51%(56.55 cd A-1)的EQE,是迄今为止全TADF单发光层WOLED的较高效率之一。(2)以苯基硫醚或砜基与二苯甲酮相连为受体,分别连接吖啶和吩噁嗪得到了四个TADF分子PT-BZ-DMAC、PS-BZ-DMAC、PT-BZ-PXZ和PS-BZ-PXZ。以该系列分子制备的掺杂器件最高效率分别为17.71%(49.55 cd A-1)、20.55%(64.55 cd A-1)、18.08%(57.99 cd A-1)和8.89%(25.47 cd A-1)。单晶分析和光物理研究表明,砜基增强了受体的吸电子能力,导致发光峰红移,而硫醚作为阻隔基团,抑制了分子间的相互作用。基于PT-BZ-DMAC制备的非掺杂器件EQE达到了17.34%(53.74 cd A-1),与其掺杂器件17.71%(49.55 cd A-1)的效率相近。这样的结果归因于PT-BZ-DMAC中的苯基硫醚阻隔基团以及吖啶末端甲基的空间位阻减小了分子间不必要的相互作用。(3)采用D-σ-A分子骨架,以嘧啶为受体,硫醚为桥联基团,分别连接吖啶、三苯胺和吩噁嗪等给体,设计、制备了TADF分子Pmd-S-DMAC、Pmd-S-TPA和Pmd-S-PXZ。硫醚基团有效地阻断了分子共轭,抑制了分子的经键电荷转移(TBCT)。通过单晶结构分析推断存在分子间经空间电荷转移(TSCT),并通过光物理性质测试确定了分子内TSCT的存在,成功地构建了具有分子内和分子间双TSCT通道的TADF分子。该系列分子的天蓝光至绿光的掺杂器件最高效率分别为17.88%(39.51 cd A-1)、16.18%(44.47 cd A-1)以及20.74%(62.14 cd A-1)。(4)以具有更强吸电子能力的三嗪基团为受体,采用D-σ-A分子骨架制备了具有双TSCT通道的TADF分子Trz-S-DMAC、Trz-S-TPA和Trz-S-t Bu TPA。以该系列分子制备的掺杂器件效率分别为18.73%(52.43 cd A-1)、23.17%(66.12 cd A-1)以及26.60%(76.95 cd A-1)。其中,Trz-S-TPA呈“边对面”的头-尾相接堆积模式,分子间供-受体空间距离仅为2.69(?),导致分子间TSCT作用最有效。基于Trz-S-TPA的器件效率没有随掺杂浓度的增加而出现明显的下降,其非掺杂器件的最大EQE为20.60%(60.90 cd A-1),并且在亮度为100 cd m-2和1000 cd m-2时,EQE仍然保持为19.56%和13.45%,该效率优于大部分目前已报道的绿光非掺杂器件效率。
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