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喹唑啉衍生物的合成及其电致发光器件的应用研究

刘栋  
【摘要】:经过二十多年的蓬勃发展和当前高端应用市场需求增长的不断刺激,有机电致发光技术在显示和照明两个方面显示出越来越明显的产品优势,得到广大科研机构和面板厂商的热力追捧。近几年已从学术研究阶段逐渐过渡到了产业化生产阶段,不断的有新的相关产品问世,获得了广大消费者的普遍认可,同时也促进了相关科研机构对有机光电技术的进一步研究。显示领域方面,伴随着有机电致磷光技术的发现,器件的最大内量子效率从25%提升至100%,大幅提高了器件效率,也成为目前有机光电显示领域的主要发展方向。但对于磷光材料来讲,为了减小三线态-三线态的淬灭现象,一般需要将磷光材料掺杂在主体材料中来制备发光层,通过能量转移使磷光客体发光。因而,除了磷光客体材料外,主体材料的性质对磷光有机电致发光器件的性能也起到了决定性的作用。照明领域方面,由于有机电致发光所特有的自发光、柔性化和面光源等优点,有机电致发光技术在照明方面的应用逐渐崭露头角。但为了满足对光谱纯度和色度稳定性的严苛要求,白光器件的器件结构一般都比较复杂,限制了白光照明技术的进一步发展。在此背景下,本论文采用有机光电材料中稀缺的具有电子受体性质的n型半导体结构喹唑啉基团为基本构筑单元,通过连接不同的官能团进行修饰,得到了四个系列共七种具有优良光电特性的有机光电材料。将这七种材料通过简单和新颖的器件结构制备了高效的有机光电器件,在显示和照明两方面展现其各自性质。通过器件性能与材料结构的关系为材料的分子设计和器件优化提出指导性意见。 1、在第二章中我们通过简单的偶联反应,将9-苯基咔唑的3,6位分别与一个和两个的喹唑啉结构相连接,合成了两个喹唑啉结构的衍生物。光物理性质测试表明这两个化合物具有明显的分子内电荷转移性质和较高的三线态能级。理论计算表明,这两个化合物的电子云呈离域分布状态,有利于电子和空穴的双极性传输。以两者做为磷光主体材料制备的高效黄光和红光磷光发光器件,具有稳定且高效的外量子效率。其中,双取代的结构具有更好的器件表现,以其为主体制备的黄光器件最大亮度为32262cd m2、最大能量效率为56.98lm W1;红光器件的最大亮度为18144cd m2、最大能量效率为16.49lm W1;两个器件的最大外量子效率均为16%。结合单载流子器件结果,表明均衡的双极性主体材料更有利于制备高效的有机电致发光器件。 2、在第三章中我们分别通过简单的偶联反应和经典的扣环反应,将三个喹唑啉结构以不同的取代位点与苯结构的1,3,5位相连接,合成了两个中心对称的喹唑啉结构衍生物。光物理性质和电化学测试表明,两个化合物具有很低的LUMO能级和较大的能级间隙。结合薄膜的荧光发射和荧光寿命的测试,证明两化合物与TCTA混蒸可以得到激基复合物。通过掺杂不同浓度的红光磷光客体,进一步证明所形成的激基复合物可以做为主体材料与客体磷光分子间发生完全的能量转移。以形成的两种激基复合物做为混合型磷光主体材料制备的高效红光磷光发光器件的最大功率效率达到22.72lm W1、最大外量子效率为14%。通过单载流子测试表明,混合型主体有效的提高了材料的空穴传输能力,更有利于得到高效的有机电致发光器件。 3、在第四章中我们通过简单的偶联反应,将两个喹唑啉结构与蒽结构的9,10位相连接,合成了中心对称的喹唑啉结构衍生物。X射线单晶衍射表明,喹唑啉结构的引入有效的避免了蒽类结构中常见的分子间π···π相互作用,分子以C-H···π作用堆叠而成。光物理性质和电化学测试表明,化合物具有纯正的蓝光本征发射和理想的能级结构。理论计算结果显示,化合物呈现完全离域的电子云分布状态,表明化合物具有良好的空穴和电子迁移能力。进一步通过掺杂不同浓度的橙红光磷光客体,证明化合物可以同时做为主体材料和发光材料与客体磷光分子间通过不完全的能量转移而形成白光发射。单载流子器件测试结果表明,化合物有出色的载流子迁移特性。分别以化合物为发光层材料和主体材料制备了高效的蓝光荧光发光器件和荧光-磷光型白光发光器件,白光器件的最大亮度为24340cd m2、最大功率效率为13.64lm W1、CIE坐标为(0.33,0.36),并且展现出良好的色度稳定性。 4、在第五章中我们通过经典的扣环反应和偶联反应,将具有强电子给体性质的咔唑和二苯胺结构通过苯环分别与喹唑啉结构的2位相连接,得到了两个具有分子内电荷转移性质的喹唑啉类衍生物。光物理性质研究表明,这两个化合物的溶液光谱存在明显的溶剂化效应和质子化效应。通过与樟脑磺酸掺杂,质子化后的固体薄膜发射产生了显著的红移,进一步研究表明中性分子与质子化分子间存在着能量转移过程,并可以通过可控的掺杂浓度达到不完全能量转移状态而产生稳定的白光发射。以与樟脑磺酸的掺杂膜为发光层,制备了稳定而高效的白光器件,其最大亮度达到13180cd m2、最大能量效率达到5.14lm W1、显色指数为86,CIE坐标为(0.36+0.02,0.34+0.01),具有非常高的色纯度和光谱稳定性。 综上所述,在本论文中我们设计合成了四个系列共七种的喹唑啉结构光电功能材料,并依其性质制备了高效的光电器件,分别在显示和照明领域得以应用。通过对比、分析器件与材料结构间的关系,对扩展光电材料体系、优化器件结构起到了积极作用。


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