膦基材料光电性能的选择性调控与器件应用

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有机光电功能材料因其结构的多样性和性能的可调控性,在有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机太阳能电池、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池、有机激光、有机生物/化学传感、有机存储及有机防伪和加密等领域都取得了广泛的应用。在有机π-共轭体系中引入杂原子调控材料的分子结构以及凝聚态结构是改善材料光电性能的有效手段之一。磷原子作为一种常见的杂原子,将其引入到有机分子中得到的膦基结构可以实现对材料光电性能的选择性调控,并且能够赋予材料多种功能,例如具有动态自适应调节功能的共振结构,具有双发射性质的配合物材料等;同时,可以实现对分子构型、分子极性、激发态能级、电子云分布、分子间相互作用等电子效应和空间效应的选择性调控,在构建高性能有机光电功能材料方面显示出巨大的潜力。本论文主要围绕膦基有机光电功能材料的设计、合成及其在光电器件方面的应用展开。研究内容如下:首先构建了新型的芳基膦硫类主体材料,通过对其结构和性能的关系及光电性能系统的研究,我们发现芳基膦硫类分子可以对电学性能进行选择性调控,四个芳基膦硫主体材料在保持高三线态能级(>3.0 e V)和良好的热稳定性的基础上实现了载流子注入/传输能力的平衡并获得了优异的器件性能,外量子效率最高达到14.1%,最大电流效率达到了27.8cd A-1,最大功率效率达到了21.4 lm W-1;其次探究了含有多元N-P=O共振结构的主体材料的动态自调节性质,多元共振互变结构的存在使得材料在保持高三线态能级(2.97 e V)的条件下实现了对电学性质的动态自调控。得益于多重共振结构对平衡载流子传输方面的功能化作用,在作为蓝光和暖白光热活化延迟荧光器件的主体材料使用时获得的最大外量子效率分别达到了14.7%和20.1%,最大电流效率分别达到了29.2和63.7 cd A-1,最大功率效率分别达到了29.4和67.8 lm W-1;最后基于共振结构独特的动态自适应调控能力在实现对材料的基态、激发态能级以及跃迁成分调控方面的优势,设计得到了具有更多共振渠道的协同共振长余辉分子,实现了对长余辉分子寿命或效率的提升,其寿命达到了443 ms,量子效率达到了3.05%。
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