基于蒽醌的热激活延迟荧光材料的合成及性能

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有机发光二极管(OLEDs)因其独特的显示和照明优势,得到了快速发展。作为OLEDs的核心材料,有机发光材料则是科研工作者的研究重点。作为OLEDs最有发展前景的发光材料,热激活延迟荧光(TADF)材料可利用单重态(S1)激子和可反系间穿越的三重态(T1)激子,理论上可达到100%的内量子效率,且不含稀有金属,对环境友好,因而逐渐代替OLEDs的传统荧光材料和磷光发光材料,并且得到了快速发展。理想的TADF材料具有较小的T1态与S1态的能级差(ΔEST)和较高的荧光量子产率(PLQYs),而较小的ΔEST需要分子的前线轨道(FMOS)尽可能的分离,但这不利于获得较高的PLQYs,因而成为设计TADF材料的难题,也是科研工作者的研究重点。目前,已经报道了很多高效的TADF材料,但材料以及器件的性能远没有达到商业化标准,仍需改善和提升。因此,为开发新型高效的TADF材料,获得高性能的器件,本论文以9,10-二酮蒽醌为受体,设计了9种有机小分子TADF材料,通过核磁共振氢谱(~1H NMR)、碳谱(13C NMR)和质谱(MS)对其结构进行了表征,并研究了其轨道分布、光电性能、热稳定性能和器件性能。得到的主要成果总结如下:1.以9,10-二酮蒽醌(AQ)为受体,C-O键为σ键,咔唑(Cz)、3,6-二叔丁基咔唑(TCz)、二苯胺(DPA)和9,9-二甲基吖啶(DMAC)为供体,设计并合成了四种D-σ-A型TADF材料AQ-O-CZ、AQ-O-TCZ、AQ-O-DPA和AQ-O-DMAC。测试了其光电性能和热稳定性能及器件性能,实验结果表明:四种材料均获得较小的ΔEST(<0.1 e V)和较好的延迟荧光寿命(τD分别为1.31、0.63、0.09和0.45μs),同时增强供体的刚性以抑制分子的非辐射过程,获得了较高的PLQYs(分别是31.26%,27.71%,16.82%和37.64%)。四种TADF材料具有分子间电荷转移效应(inter-CT),并实现了橙红光、红光发射(纯膜)。选择AQ-O-CZ、AQ-O-DPA和AQ-O-DMAC为器件发光层的客体材料制备了器件,发现三种材料器件的开路电压均较低(Von:3.5,3.6和3.5 V)。与AQ-O-DMAC和AQ-O-DPA相比,基于AQ-O-CZ的器件获得了最高的最大亮度(8320cd m-2)和最高的最大外量子效率(EQEmax为6.07%),其λEL为566 nm。(第二章)2.为获得发光性能更好的D-σ-A型TADF材料,在第二章的基础上,选择了电负性较小的硫原子代替氧原子,并以AQ为受体,硫醚键为σ键,Cz、TCz、DPA和DMAC为供体,设计并合成了四种D-σ-A型TADF材料AQ-S-CZ、AQ-S-TCZ、AQ-S-DPA和AQ-S-DMAC。测试了其光电性能和热稳定性能及器件性能,实验结果表明:四种材料表现出较小的ΔEST(<0.2 e V)和较好的延迟荧光性能(τD分别为0.32、0.41、0.15和0.28μs)。和第二章TADF材料相比较,AQ-S-CZ、AQ-S-TCZ、AQ-S-DPA和AQ-S-DMAC的PLQYs均明显的提高(35.37%、32.71%、20.36%和47.10%)。四种TADF材料因电负性较小的硫原子的引入,除表现出分子间电荷转移效应(inter-CT),还显示出明显分子内电荷转移效应(intra-CT)。材料的发光可被intra-CT,特别是inter-CT有效调节,实现橙红光、红光发射(纯膜)。选择AQ-S-CZ、AQ-S-DPA和AQ-S-DMAC为器件发光层的客体材料研究了它们的器件性能。与AQ-S-CZ和AQ-S-DPA相比,基于AQ-S-DMAC的器件发射橙红光,波长为586 nm,最大外量子效率(EQEmax)最高,为7.17%,开路电压为3.5 V。本工作丰富了D-σ-A型TADF材料,为开发长波长TADF材料提供了一种有前景的方法。3.在前两章的研究基础上,为进一步提高材料的发光性能,本章选择AQ为受体,三苯胺为供体,具有主体材料特性的9,9’-对亚苯基二咔唑(DCP)为供体的一部分,设计合成出具有不对称D-A-D’结构的TADF材料TPA-AQ-DCP。测试了其光电性能和热稳定性能及器件性能,实验结果表明:TPA-AQ-DCP获得了很小的ΔEST(0.09 e V)和更高的PLQY(76.69%)。同时,TPA-AQ-DCP的瞬态荧光衰减光谱呈双指数衰减,其中延迟荧光寿命为9.21μs,表明TPA-AQ-DCP具有明显的延迟荧光性能。实验发现:把具有主体材料特性的DCP作为供体的一部分来构筑TADF材料可显著提高材料的发光性能。基于掺杂浓度为20 wt%的TPA-AQ-DCP器件的EQEmax达到17.60%,λEL为616 nm。与文献报道的基于TPA-AQ的器件比较(EQEmax:7.5%),基于TPA-AQ-DCP器件的EQEmax为提高了2.3倍。将主体材料作为供体的一部分来构筑TADF材料是设计高效的红光TADF材料和制备高性能的OLED器件的一个有效途径。
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