传统荧光与热活化延迟荧光分子设计:发光机理可控切换及白光的实现

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近几年来,热活化延迟荧光(TADF)材料由于能够通过不含重金属的纯有机化合物实现100%的内量子效率,使得其被广泛认为是极具前途的下一代有机电致发光材料。与第一代有机电致发光材料-传统荧光材料相比,TADF材料不仅具有较高的发光效率;由于其长寿命三线态激子的利用,TADF材料还在温度传感器、氧气探测器及生物成像等应用领域有着广阔的应用前景。鉴于两种发光机理在光化学和光物理上显著差别,实现传统荧光与热活化延迟荧光的可控切换无论是在基础研究还是实际应用上都有着十分重要的意义。有机白光发光材料及器件由于在新一代的固体照明显示技术的巨大应用潜力,引起了人们的广泛关注。到目前为止,大多数报道的有机白光器件主要采用的是不同发光颜色层组合的叠层结构(红/蓝/绿色或蓝色/黄色),从而实现发光光谱完全覆盖整个可见光区域。然而这类叠层器件存在工艺复杂、光色不稳定、生产成本较高等问题。相比而言,使用单组分白光发光层会有更好的光色稳定性及更简单的制备工艺。根据Kasha规则,有机发光材料通常只能通过最低激发态发射单色光。因此实现单组分有机白光材料在合成化学及光化学和光物理上都是一个巨大的挑战。本论文着重于研究有机发光材料的分子结构对发光机理的调控及可逆切换行为的影响,以及致力于开发新型的单组分有机白光材料。在第二章,我们首次将二苯基乙炔单元作为电子受体引入到有机发光材料中,设计合成了两个新型的D-A型有机发光材料DPE-DMAc和DPE-DPXZ。通过改变给体单元,我们实现了两个结构相似的化合物发光机理的调控。此外,DPE-DDMAc的粉末及在四氢呋喃和水混合溶剂(THF/H2O)中表现出双荧光特性。通过改变混合溶剂中的含水量,我们可以有效的调节DPE-DDMAc深蓝和黄光发射成分的相对发光强度。最终,在含水量为77%,80%,82%的混合溶剂中,DPE-DDMAc实现了白光发光,CIE色坐标分别为(0.29,0.25),(0.33,0.30),(0.35,0.32)。在第三章,我们以吩噻嗪为电子给体单元,以5-苯甲酰嘧啶为电子受体单元,设计合成了一个D-A型有机发光材料PTZ-MDC。PTZ-MDC打破了Kasha规则的限制,可以在不同条件下发出纯深蓝传统荧光或黄色TADF。在力作用和热活化下,PTZ-MDC的深蓝传统荧光和黄色TADF可以实现可逆切换。基于这两个互补的颜色,PTZ-MDC可以在多种状态下实现由深蓝传统荧光和黄色TADF杂化的白光发射。在第四章,我们对PTZ-MDC表现的传统荧光与热活化延迟荧光可控切换现象进行深入研究。结合实验结果和理论计算,我们发现PTZ-MDC的深蓝传统荧光和黄色TADF分别源自于两个光化学光物理性质完全不同的构象。两个构象间的可逆转换是上述PTZ-MDC发光属性可控切换的内在机理。我们通过简单的原子置换,可以实现对可控切换行为的on/off,这一发现有助于我们理解在化学结构上的细微差别对可逆切换行为的影响,进一步帮助我们研究开发更多更系统的能实现传统荧光与TADF可控切换的“智能”发光材料。基于构象可逆转变来实现发光属性可控切换行为为开发“智能”发光材料及单组分白光材料提供一个新的途径。此外,这种不依赖于物理聚集形态的构象可逆转变途径为实现非晶有机半导体刺激-响应器件提供了可能。
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