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作为第三代有机电致发光二极管（Organic Light-Emitting Diodes,OLEDs）的核心材料，热激活延迟荧光（Thermally Activated Delayed Fluorescence,TADF）材料因无需采用重金属便可以实现100%的内量子效率而受到了广泛关注。但目前TADF材料在分子结构设计和发光机理等方面的认识仍不够完善，现有的设计理论大多只提供一个基本框架，在实际的研究中，具体的体系通常会遇到超出理论框架之外的情况，尤其是它们在效率上存在的较大差异，因此，在遵循现有设计理论的基础之上，还需对特定体系的TADF材料进行研究。目前，已有许多含嘧啶及苯并嘧啶的有机发光材料获得报道，但基于它们的OLED器件效率不高，尤其苯并嘧啶类发光材料的器件最大外量子效率（External Quantum Efficiency,EQE）仅只有1.58%。为了进一步提高它们的发光性能以及研究它们的设计规律，本论文以嘧啶及苯并嘧啶作为给体-受体（D-A）型TADF材料的受体单元，系统地研究这类TADF材料的分子结构与器件性能之间的关系，结合理论计算辅助设计与反馈，探索这类材料分子设计优化的有效途径和规律，获得一系列高效率的新型TADF材料。具体研究内容如下：
以含不同取代基的嘧啶为受体单元，10-氢-螺[吖啶-9,9’-芴]（SPAc）为给体单元，合成了三种具有较大扭曲结构的D-A-D型高效率蓝光TADF材料，2SPAc-HPM、2SPAc-MPM和2SPAc-PPM。三种发光材料均成功实现了小的单重态-三重态能级差（ΔEST=0.15-0.19eV）和有效的反隙间窜越（rISC），并因此表现出高的荧光量子产率（82.2-97.0%）。基于2SPAc-HPM、2SPAc-MPM和2SPAc-PPM的OLED器件，电致发射光谱峰值位于479-489nm，且分别获得了25.6%、24.3%和31.5%的最大EQE。其中，2SPAc-PPM也是少数OLED器件EQE超过30.0%的蓝色TADF发光材料之一，且达到了同类嘧啶基TADF发光材料的最佳水平。
在材料p-2SPAc-PPM（上述的2SPAc-PPM）的基础上，通过分子结构优化，在获得OLED器件高效率的同时，进一步提高其发光亮度和抑制器件的效率滚降。以2-苯基嘧啶（PPM）作为受体单元，SPAc作为给体单元，通过改变它们的连接位置构建了两种新的D-A-D型TADF发光材料，m-2SPAc-PPM和o-2SPAc-PPM。与对位连接不一样，这两种发光材料分别通过间位和邻位连接，使得它们相对于p-2SPAc-PPM具有更大的扭曲结构。因此，m-2SPAc-PPM和o-2SPAc-PPM均表现出更小的ΔEST（0.10和0.03eV）及分别高达9.10×106s-1和3.55×107s-1的rISC速率。将其应用于OLED器件中，基于o-2SPAc-PPM的OLED器件获得了高达24.8%的最大EQE和24200cd/m2的最大发光亮度。与基于p-2SPAc-PPM的器件相比，基于o-2SPAc-PPM的OLED器件具有更小的效率滚降，即使在10000cd/m2的高亮度下，其最大EQE也大于10.0%。
通过在嘧啶的5,6-位处稠合一个苯环，拓展其π共轭长度，得到一种简单的苯并嘧啶受体单元，并将它与吩噁嗪给体单元结合，合成了四种新型TADF发光材料，4HQ-PXZ，4PQ-PXZ，2HQ-PXZ和2PQ-PXZ。四种发光材料的电荷转移单线态（1CT）与苯并嘧啶受体单元的局域三线态（3LEA）之间的能级差在0.09-0.22eV之间，对它们的TADF特性起到了关键性的作用，同时，四种材料掺杂在CBP主体中获得了高至67.5-81.0%荧光量子产率。基于它们的OLED器件最大EQE为16.0-20.5%，比已报道的苯并嘧啶基发光材料（~1.58%）的效率高了10-13倍。
选择具有准轴向和准赤道双构象特征的吩噻嗪作为给体单元，与苯并嘧啶受体单元结合，设计并合成了具有双构象的单分子纯有机白光发光材料（SPOMWLE），2PQ-PTZ和4PQ-PTZ。通过单晶X射线衍射对它们的晶体结构进行解析发现，在2PQ-PTZ的晶体中同时存在准轴和准赤道构象异构体，且以1∶1的精确比例共存。2PQ-PTZ的两种不同构象为其实现白光发射提供了理想的灵活性，利用这一特性，将其应用于发光二极管中（LED），获得了CIE（0.32,0.34）和显色指数（CRI）为89.3的白色LED。此外，基于2PQ-PTZ的白色OLED表现出10.1%的最大EQE，这是在已报道的SPOMWLE-OLED中的最高性能。同时，为了充分利用准赤道构象的TADF特性，通过增加掺杂浓度，获得了一种基于2PQ-PTZ的高效橙色TADF OLED，其EQE高达25.0%。
以含不同取代基的嘧啶为受体单元，10-氢-螺[吖啶-9,9’-芴]（SPAc）为给体单元，合成了三种具有较大扭曲结构的D-A-D型高效率蓝光TADF材料，2SPAc-HPM、2SPAc-MPM和2SPAc-PPM。三种发光材料均成功实现了小的单重态-三重态能级差（ΔEST=0.15-0.19eV）和有效的反隙间窜越（rISC），并因此表现出高的荧光量子产率（82.2-97.0%）。基于2SPAc-HPM、2SPAc-MPM和2SPAc-PPM的OLED器件，电致发射光谱峰值位于479-489nm，且分别获得了25.6%、24.3%和31.5%的最大EQE。其中，2SPAc-PPM也是少数OLED器件EQE超过30.0%的蓝色TADF发光材料之一，且达到了同类嘧啶基TADF发光材料的最佳水平。
在材料p-2SPAc-PPM（上述的2SPAc-PPM）的基础上，通过分子结构优化，在获得OLED器件高效率的同时，进一步提高其发光亮度和抑制器件的效率滚降。以2-苯基嘧啶（PPM）作为受体单元，SPAc作为给体单元，通过改变它们的连接位置构建了两种新的D-A-D型TADF发光材料，m-2SPAc-PPM和o-2SPAc-PPM。与对位连接不一样，这两种发光材料分别通过间位和邻位连接，使得它们相对于p-2SPAc-PPM具有更大的扭曲结构。因此，m-2SPAc-PPM和o-2SPAc-PPM均表现出更小的ΔEST（0.10和0.03eV）及分别高达9.10×106s-1和3.55×107s-1的rISC速率。将其应用于OLED器件中，基于o-2SPAc-PPM的OLED器件获得了高达24.8%的最大EQE和24200cd/m2的最大发光亮度。与基于p-2SPAc-PPM的器件相比，基于o-2SPAc-PPM的OLED器件具有更小的效率滚降，即使在10000cd/m2的高亮度下，其最大EQE也大于10.0%。
通过在嘧啶的5,6-位处稠合一个苯环，拓展其π共轭长度，得到一种简单的苯并嘧啶受体单元，并将它与吩噁嗪给体单元结合，合成了四种新型TADF发光材料，4HQ-PXZ，4PQ-PXZ，2HQ-PXZ和2PQ-PXZ。四种发光材料的电荷转移单线态（1CT）与苯并嘧啶受体单元的局域三线态（3LEA）之间的能级差在0.09-0.22eV之间，对它们的TADF特性起到了关键性的作用，同时，四种材料掺杂在CBP主体中获得了高至67.5-81.0%荧光量子产率。基于它们的OLED器件最大EQE为16.0-20.5%，比已报道的苯并嘧啶基发光材料（~1.58%）的效率高了10-13倍。
选择具有准轴向和准赤道双构象特征的吩噻嗪作为给体单元，与苯并嘧啶受体单元结合，设计并合成了具有双构象的单分子纯有机白光发光材料（SPOMWLE），2PQ-PTZ和4PQ-PTZ。通过单晶X射线衍射对它们的晶体结构进行解析发现，在2PQ-PTZ的晶体中同时存在准轴和准赤道构象异构体，且以1∶1的精确比例共存。2PQ-PTZ的两种不同构象为其实现白光发射提供了理想的灵活性，利用这一特性，将其应用于发光二极管中（LED），获得了CIE（0.32,0.34）和显色指数（CRI）为89.3的白色LED。此外，基于2PQ-PTZ的白色OLED表现出10.1%的最大EQE，这是在已报道的SPOMWLE-OLED中的最高性能。同时，为了充分利用准赤道构象的TADF特性，通过增加掺杂浓度，获得了一种基于2PQ-PTZ的高效橙色TADF OLED，其EQE高达25.0%。