基于受体二苯并[a,c]吩嗪的有机荧光材料的合成及性质研究

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有机电致发光材料因为具有成本低、响应速度快、柔性强等优点,在照明和显示两大领域有着十分广阔的市场潜力与应用前景。现如今已经产业化并成为市场上主流的显示技术,已经在智能手机、平板等设备上有所应用。虽然它们已经取得了飞速的发展,但是市场竞争力并不强,因为其制作成本高,导致价格昂贵。所以在保持现有优点的同时,寻找生产成本更加低廉的材料,成为其产业发展的一项重大挑战。已经商业化的有机电致发光材料为含有重金属的磷光材料,但是这类材料中的重金属元素会污染环境,材料成本高,不利于可持续发展。然而纯有机的小分子荧光材料具有廉价易得、易于合成等优点,只是受限于自旋统计规则,电致发光中的电生激子利用率仅为25%。为了有效地利用三线态激子发光,目前主要有以下几种提高激子利用率的材料设计理念,分别是热活化延迟荧光、三线态-三线态湮灭、热激子机理和杂化局域电荷转移激发态。本论文基于热活化延迟荧光和热激子机制,以二苯并[a,c]吩嗪为受体,分别以3,6-二叔丁基咔唑、9,10-二氢-9,9-二甲基吖啶和吩噁嗪为给体的给受体型有机小分子荧光材料为研究对象,通过理论计算并结合实验数据,研究了给受体之间的扭曲角、给电子能力、给体的数量与激发态性质的关系,进一步地明确了以二苯并[a,c]吩嗪为受体的有机荧光材料的设计思路,为设计性能更加优异的材料提供依据。本论文如下两部分:(1)以二苯并[a,c]吩嗪为受体,选择了3,6-二叔丁基咔唑,9,10-二氢-9,9-二甲基吖啶与吩噁嗪三种不同给电子能力的给体,通过连接不同强度的给体来实现对激发态性质、发光效率、光色、电致发光性能的调节,并制备了三种不同的双给体对称型有机荧光材料,实现了从黄绿光、橙光到红光的光色调节。通过理论计算优化了材料的基态和激发态的构型,研究了材料的几何构型、给体与受体之间的扭曲角与激发态的性质,自然跃迁轨道和激发态能级分布表明随着给体给电子能力的提升,2t Cz-DPPZ、2Ac-DPPZ和2PXZ-DPPZ中的CT态成分逐渐增加。然后对这三种材料进行了一些表征,包括光物理性质、热学性质、电化学性质和电致发光性能的表征。实验结果表明属于热激子机理的2Ac-DPPZ材料的掺杂OLED器件有着更加优异的电致发光性能,最大EQE效率高达13.2%。因此,将二苯并[a,c]吩嗪受体与给电子能力较强的给体连接是制备长波长并且高效率OLED器件的一种有效途径。(2)以二苯并[a,c]吩嗪为受体,选择了吩噁嗪为给体,制备了三给体非对称型近红外有机材料。通过增加给体的数量,HOMO能级变高,带隙变窄,CT态组分进一步增加,实现了从双给体的红光到三给体的近红外区的光色调节。通过理论计算表明3PXZ-DPPZ属于TADF材料,给体与受体之间存在垂直的扭曲角,使材料的刚性变强,抑制了非辐射跃迁,而且T1态与S1态之间存在一个小的能隙,为T1态激子的反向系间窜越提供了通道。然后对该材料进行了一系列表征,包括光物理性质、热学性质、电化学性质和电致发光性能的表征。该材料的非掺杂OLED器件的发射峰位达到708 nm,电生激子利用率由30%提高到了42%,所以该材料在信息安全、生物成像等新兴领域的应用前景是广阔的。
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