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本论文设计并合成了一种新型的梯形有机共轭单元dinaphtho-s-indacene(NSI),开发了一系列基于该构造单元的小分子、齐聚物和高分子电致发光材料,为有机/高分子电致发光材料家族增添了新成员;本论文还提出了一种“主体材料俘获电子,抑制电荷转移”的学术思想,实现了单一高分子白光发射,为单一白光高分子的分子设计提供了新途径。
NSI类的小分子具有良好的热稳定性、共平面性和较高的荧光量子效率;其非掺杂器件发射深蓝光,色坐标在(0.16,0.08)左右,具有良好的光谱稳定性,最大电流效率为1.27 cd/A,最大亮度为1443 cd/m2。以NSI作为结构重复单元的齐聚物分子也发射蓝光,波长范围在450-460 nm;共轭分子链的相邻重复单元之间具有较大的空间位阻,使共轭主链发生扭曲,可以抑制分子结晶;NSI齐聚物分子的有效共轭长度约为7。
将梯形共轭单元NSI应用于高分子体系,在三个方面表现出其作为发光高分子材料的潜在价值。基于NSI单元的均聚物与上述齐聚物类似,在相邻重复单元之间存在较大的空间位阻,高分子主链发生扭曲,使高分子薄膜表现出无定形态,因而具有优秀的光谱稳定性;烷基取代的NSI均聚物电致发光峰位于461 nm,为天蓝光发射,EL光谱非常稳定,电流效率为1.40 cd/A。将NSI单元作为掺杂剂引入聚芴主链合成了一系列具有分子内能量转移特征的蓝光共聚物,高分子主链的“芴-NSI-芴”链段形成低能量中心,适合作为能量转移受体;能量转移机理使高分子的发光峰位于人眼敏感的440-460 nm范围内,具有良好的光谱稳定性,并提高了器件效率;共聚物器件的色坐标在(0.15,0.15)左右,为纯蓝光发射;使用磷酸酯取代的聚芴作为电子注入层,不改变高分子的发光光谱,器件性能得到进一步提高,电流效率达到3.43 cd/A,亮度达到6539 cd/m2。将基于NSI的高分子作为主体材料,在其中引入橙光掺杂剂单元构造了一类新型的双色白光高分子,在这一高分子体系中可以发生由主体到橙光掺杂剂的能量转移和电荷俘获而获得蓝光峰和橙光峰相平衡的白色电致发光;该类高分子的效率与亮度随橙光峰的增强而增大,当橙光单元含量为0.1mol%时,最大流明效率和功率效率分别为4.88 cd/A和2.79 lm/W。
除了开发上述的一类新型材料体系外,本论文还提出了一种实现单一高分子白光发射的学术思想,即“主体俘获电子,抑制电荷转移”的新机制,这完全不同于现有的基于“部分能量转移和掺杂剂俘获电荷”的机制。将具有极强电子亲和力的磷酸酯基团引入主体材料的侧链,在电致发光过程中注入到发光层的电子会被主体侧链所俘获,抑制了电子向掺杂剂的转移,导致掺杂剂的发光减弱而主体的发光相对增强,从而获得蓝光峰和长波长发射峰相平衡的白色发光。因此,为实现白光发射,掺杂剂单元的含量必须提高,当达到1mol%时,高分子器件的最佳色坐标为(0.34,0.35),非常接近纯白光:退火处理后的器件具有更稳定的EL光谱,最大流明效率达到4.32cd/A,功率效率达到3.39 lm/W;器件可以在发光层之上直接使用高功函并对空气稳定的Al作阴极,无需使用任何电子注入层。