激发态质子转移热激子材料的设计合成与光电性质研究

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经过30年的发展,OLED技术已经广泛引用于平板显示和白光照明。目前,OLED技术正处于实现产业颠覆关键时期,其关键在于新一代高效率有机发光材料的突破。OLED发光材料经历第一代传统荧光材料、第二代磷光材料和第三代高激子利用率纯有机发光材料的发展。第一代荧光材料,只有25%的单线态激子能够用于有效的发光,因而器件效率通常比较低。基于重金属配合物的第二代磷光材料,由于重原子增强了旋轨耦合,三线态激子可以通过翻转以辐射跃迁的形式回到基态,因而其理论上的激子利用率能够达到100%,大大提高了器件效率,也是目前市场上商业化OLED所用的主要材料。但是该类材料存在价格昂贵、色度不全(蓝色磷光材料缺乏)、重金属资源紧缺等问题,因而需要发展新一代高效率高激子利用率的有机发光材料。在这样的背景下,我国的马於光教授等提出了具有高能三线态反系间窜越特性的热激子材料,通过高能三线态反系间窜越过程实现了100%的激子利用率,获得了广泛的关注。经过近几年的研究热激子材料体系得到了长足的发展,其主要通过含有杂原子的给体(D)和受体(A)的结构组合来调控激发态性质,使其满足热激子过程所需要的激发态特性。尽管基于D-A结构的热激子材料体系获得了一些很好的结果,但仍需要开发新的结构来调控其激发态特性。鉴于此目的,本论文主要围绕发展具有热激子特性的激发态质子转移发光材料体系开展了如下研究:1.基于非共轭D-A结构的具有激发态质子转移的热激子材料的研究:以菲并咪唑为受体,三苯胺为给体,设计合成了具有激发态质子转移特性的有机发光材料m DPA-PPI-OH和m TPA-PPI-OH。其中三苯胺是通过菲并咪唑非共轭的氮原子N1的位点连接,因而其与菲并咪唑是非共轭的。光物理研究表明m DPA-PPI-OH和m TPA-PPI-OH存在激发态质子转移的特性,因而其发射光谱相对于相应的没有质子转移的对比化合物m DPA-PPI和m TPA-PPI有所红移,而且荧光效率有所降低。基于m DPA-PPI-OH和m TPA-PPI-OH的器件最大外量子效率(EQE)分别达到了2.72%和2.82%,激子利用率(EUE)为65%和78%,优于没有激发态质子转移性质的对比化合物m DPA-PPI(EQEmax:1.24%,EUE:20%)和m TPA-PPI(EQEmax:2.56%,EUE:56%)。理论计算结果显示m DPA-PPI-OH和m TPA-PPI-OH的能级更加符合高能三线态反系间窜越热激子过程的能级排列,因而有效地提高了其激子利用率。2.基于共轭D-A结构的具有激发态质子转移的热激子材料的研究:以菲并咪唑为受体,在其C2取代的苯环的不同位置上连接三苯胺基团,设计合成了具有激发态质子转移特性的有机发光材料3-TPA-PPI-OH和5-TPA-PPI-OH。由于C2连接位点的共轭特性,3-TPA-PPI-OH和5-TPA-PPI-OH的荧光发射相比于上一章非共轭连接的m DPA-PPI-OH和m TPA-PPI-OH有所红移,表现为绿光发射,而且荧光效率有所提高。并且3-TPA-PPI-OH和5-TPA-PPI-OH同样表现了激发态质子转移的特性。基于3-TPA-PPI-OH和5-TPA-PPI-OH的器件最大外量子效率(EQE)分别达到了4.86%和6.14%,激子利用率(EUE)为76%和~100%。理论计算结果显示5-TPA-PPI-OH的能级更加符合高能三线态反系间窜越热激子过程的能级排列,因而其激子利用率要高于3-TPA-PPI-OH。
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