传统有机发光材料大都具有大共轭芳香结构,其在稀溶液或单分子状态下发光很强,而在高浓度溶液中或在聚集（纳米粒子、胶束、固体薄膜或粉末）状态下发光变弱甚至完全消失,故被称之为“聚集导致发光猝灭”（Aggregation-caused quenching,ACQ）效应。在柔性显示应用及水系环境为主的生物应用中发光材料主要以聚集态形式存在,因此,克服ACQ效应就显得十分的迫切。聚集诱导发光（Aggregation-induced emission,AIE）概念的提出为解决传统ACQ提供了很好的策略,其在聚集态下限制了激发态能量的非辐射跃迁通道,使得能量主要以辐射跃迁的形式发光。因此,AIE领域的兴起为显示照明和疾病诊疗等技术的发展开启了另一扇大门。目前,可被利用的发光过程主要包括光致发光（Photoluminescence,PL）和电致发光（Electroluminescence,EL）,其过程和激子生成机制的不同导致其应用场景也存在显著差异。有机发光二极管（Organic light emitting diode,OLED）作为电致发光应用形式一种,具有对比度高、功耗低、响应速度快、超薄、全视角无限制以及柔性显示制备等诸多优点在未来的显示及照明领域具有极其重要的应用前景及经济效益。电致发光的机制主要是通过阳极产生的空穴和阴极产生的电子在电场的作用下发生移动,分别向空穴传输层和电子传输层注入,当空穴和电子在发光层复合产生能量激子（统计学认为含25%单线态激子和75%三线态激子）,再以辐射跃迁方式获得紫外、可见和红外光。然而,由于电致发光过程中三线态激子的形成主要是以注入直接复合产生,辐射跃迁在理论上要来源单线态激子的弛豫过程,导致电致发光三线态激子转化为辐射的单线态激子是决定器件效率的关键因素之一。从这个角度分析,光致发光与电致发光激子的产生、迁移和转化就出现了差异。在光致发光中,通常认为物质吸收光子跃迁到高能单线激发态（符合电子自旋原则）,一部分以辐射弛豫形式返回基态并放出光子,另一部分激子可以通过隙间窜越（Intersystem crossing,ISC）转化为三线态激子。由于这类三线态激子的寿命较长、能量较高,导致其可以在体系内相对较长时间的存在,并以各种形式耗散掉,其利用一直是研究关注的焦点。如,利用长激子寿命特性实现有机光伏电池界面处电荷的有效拆分,利用高的激发态能量与活性物质作用提高催化剂的活性,利用与其自身荧光能级的差异制备磷光型材料（室温磷光、低温磷光）和器件（防伪、白光等）,利用其与体外三线基态的氧分子作用生成活性物种加速氧化等。综上所述,无论在光致发光还是电致发光,激子的有效调控对于提高发光材料在不同场景下的性能都非常重要,而这种激子调控归根结底还是对化学结构设计从而实现对其激发态能级分布的有效控制。简而言之,就是通过对特定基元结构构-效关系的讨论,调控单线态和三线态能级间势垒,以此激活或者钝化ISC或反向隙间窜越（Reverses intersystem crossing,RISC）通道,实现S→T或T→S之间的激子转化。基于上述分析,本论文以功能应用导向出发,根据电致发光和光致发光过程激子产生途径的本质差异,选择蒽系衍生物作为重点研究对象,通过对几个基元结构的筛选,探讨构-效关系的同时,深入分析其能级分布规律,从而通过取代基团的不断优化实现其在光电器件和荧光诊疗探针领域的高效应用。一方面,本论文在分子设计上以AIE型改造为主要的方向,通过引入转子基团等形势引入或放大聚集态荧光增强的效应;另一方面,则是重点探讨结构对于激子在生成和转化过程中单线态和三线态间的基本影响规律,从而更加有效地根据功能需要设计目标分子。论文可以概括为两个主要部分:电生光和光生光。第一部分,OLED要求选择高发光效率和高激子利用率为发光层材料,需要考虑大的共轭平面提供高效率的发光性能,而构筑电荷转移态（Charge transfer,CT）则提供分子一定偶极降低电荷注入和传输的势垒,同时,为激子的RISC提供更多的有效通道,如杂化局域电荷转移态（Hybrid Locally-Excited and Charge-Transfer,HLCT）机制、热活化延迟荧光（Thermally-Activited Delay Fluorescence,TADF）和三线态-三线态湮灭（Triplet-Triplet Annihilation,TTA）等。具体研究成果如下:在第二章中,选择蒽系氮杂衍生物——吖啶酮（Acridone,ADO）作为研究对象,一方面是想通过分子骨架结构平面刚性的增加,提高辐射跃迁过程在能量耗散中的分配比例;另一方面,则是希望利用酮羰基上电子反转过程,强化三线态激子向单线态转化的效率。通过引入三苯胺（TPA）和咔唑（Cz）等具有转子效应的电子给体,实现了对ADO的ACQ效应有效抑制;同时,在ADO的氮原子引入苯氰基构筑高能级的CT态,弱化EL过程中激子的束缚能,并实现了高能级T激子的捕获,从而完成了EL过程中激子利用效率的有效调节。但遗憾地是,ADO衍生物的光色和固态发光效率并没有表现出优势,T激子的内转换过程并未得到有效的抑制,初步证明ADO并不是适合作为能级调控的模型基元。在第三章中,改选具有一定类蒽偶极交叉和“热激子”特性的萘并噻二唑（Naphtho[2,3-c][1,2,5]thiadiazole,NZ）作为基元结构和分子受体,希望强化取代方向的CT效应和有效电子共轭来实现发光效率和激子转化的平衡。通过在NZ一侧引入TPA基元赋予骨架单元（TNZ）显著的AIE性能,另一侧则引入多功能平面性基元菲并咪唑（PPI）来改善光学吸收截面和载流子传输性能,并加入不同的叔丁基调节单分子CT态和分子间相互作用。相对于ADO衍生物,TNZPPI结构不但固态发光效率得到显著提升,而且T2T1能级差（ΔT2T1）也出现了期待的“挡板效应”,从而压制了高能态T激子的内转化竞争过程,并实现了高固态发光和高激子利用率的近红外器件,也证明TNZ更适合作为能级调控研究的核心基元。在第四章中,为了进一步明确TNZ中引入多功能分子平面取代基结构变化和能级分布的本质规律,选用不同的稠环结构作为取代基元,系统地比较了能级分布（特别是ΔT2T1）的变化规律。最终不但获得了高固态发光效率（36%）的深红光AIE染料,实现了激子利用率为63%和外量子效率达到2.63%且滚降低的非掺饱和红光器件,而且总结出如何高效构筑“热激子”通道的三要素:大的ΔT2T1,小的ΔEst和高的SOC。在第五章中,延续上述能级调控工作的认识,在TNZ骨架中引入富电子的非平面基元——四苯基乙烯（TPE）,一方面强化分子内电子效应,提高材料的发光性能;而另一方面则利用TPE的空间构象调整其聚集态,TNZTPE在深红光区(λem>650 nm)固态发光效率提升到50%,其非掺杂OLED器件效率可以达到3.58%,是目前所报道的非掺杂标准饱和红光的最高值。在第六章中,为了证明潜在的“分子交叉偶极策略”可能是构筑三线态能级“挡板效应”（压制T2激子向T1激子内转化）的关键所在,为此,将NZ基元调整为萘并三氮唑（Naphtho[2,3-d][1,2,3]triazole,NTZ）结构,希望其能更有效地完成T2→S1转化。初步采用TPA修饰得到的TNTZ的两个衍生物的T2与S1之间能级差降至0.01 e V,而ΔT2T1则高达1.01 e V,其电致发光器件的激子利用率可以高达94%,外量子效率也可以未经优化达到8.0%。以上结果,基本证明分子调控的可行性,也为热激子构筑基元的设计提供了一个新的思路。第二部分,由于T2T1能级差的显著增加必然导致二者内转化受到抑制,在电致发光中T2生成可以直接依赖于载流子的复合,而在光致发光中则需要来源于S1或S2的转化,那么,就意味着对大T2T1能级差的材料体系中光生激子来说:要么采用S1的辐射跃迁形式发光,有利于化合物发光效率提高;要么停留在高能三线态处（T2等）,从而为发生电子传递过程（光化学反应）提供了更大的可能。具体研究工作如下:在第七章中,利用TNZ的T2T1分布特性,进一步强化分子内的CT效应以弱化光生激子束缚能,提高激子单线态和三线态间的转化效率,并通过富电子供体和阴离子还原性来强化这样的电子传递过程,从而获得了一类具有强氧化性的自由基型活性氧（Reactive oxygen species,ROS）,显著提高了其作为光敏剂在乏氧肿瘤光动力（Photodynamic Therapy,PDT）中的效果,在细胞和动物层次都显著好于常见的仅依赖于单线态氧的传统PDT治疗。在第八章中,基于对大的T2T1构筑规律的认识和其潜在光致发光应用,设计了具有更大空间交叉特性和给电子能力的吩嗪基元作为研究对象,初步研究显示吩嗪系列衍生物光物理过程十分特别,其激发态构成和能级分布受到取代基团的影响相对较大。结合一系列衍生物的理论计算分析和光谱比对,其发光增强机制可能不仅包含分子内运动受限机制（Restriction of intramolecular rotation,RIR）;而且,基于其点亮的荧光成像机制,在细胞内脂滴选择性成像的应用中展现出不错的效果。总之,本论文紧紧围绕不同应用导向对于发光材料的能级分布要求展开,从电致发光和光致发光不同的激子产生途径和转化过程切入,通过对蒽类衍生物的骨架结构变化和取代基调节,优选出兼具发光效率和激子可控的材料体系;不但丰富了此类材料的结构体系（萘并三氮唑、N-芳基吩嗪）,而且初步获得了针对电致和光致发光应用材料的能级调节规律（交叉偶极——大的T2T1）。这些新型AIE结构的开发和对能级分布调控的认识,都对后续的功能导向的材料设计和发展具有重要的借鉴意义。