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含三苯胺拓扑结构材料制备与光电响应特性研究

范丛斌  
【摘要】:三苯胺是以氮原子为中心,具有螺旋桨结构的化合物。该化合物较大的空间位阻及超共轭电子效应能增强氮原子自由基的稳定性,这种独特的自由基性质促使三苯胺及其衍生物具有较高的空穴迁移率,因此该材料被广泛应用于有机光电领域。三苯胺上的三个苯环具有明显的活性,可以连接不同功能的官能团,以三苯胺为基础的原材料具有特定的光电特性,在有机太阳能电池、电致发光、电致变色等领域具有广阔的应用前景。本论文在全面调研国内外三苯胺衍生物应用的研究历史及现状的基础上,设计、制备了32种三苯胺类衍生物,解析了4个晶体结构,并系统研究了它们的光电特性,选取性能优异的化合物制作光电器件,以期在实践中应用。主要研究内容如下: 1、制备了4种以全氟环戊烯为“核”侧链联三苯胺拓扑结构的D-A-D型新材料,并研究了它们的光致生电特性。研究结果表明三苯胺结构基团能有效的促使全氟环戊烯噻吩关环,从而延长分子内π-共轭链的长度,以此扩宽吸收光谱范围,使其在200nm到850nm范围内具有较好的吸收特性,有助于提高太阳能电池对太阳光的利用率。由于强吸电子氟原子具有较好的电子传输能力,所联三苯胺拓扑结构基团又具有较好的空穴传输能力,故所合成的化合物具有双重(n-及p-型)半导体特性。所制作太阳能电池中,最大光电转化率为0.22%。 2、制备3种三苯胺-芘材料,通过核磁、质谱等对材料进行了表征,并解析了1种物质的晶体结构。系统研究三苯胺-芘材料的热稳定性及光电特性,该类材料在400oC内相对稳定,具有较高荧光量子产率并易于加工。以三苯胺-芘材料作发光层,采用真空镀膜法制作电致发光器件(OLED),所制作的四层结构器件,在电压为11.5V时候发光强度最强达到4200cd/m~2,最大发光效率为5.14cd/A。 3、合成了9种三苯胺-三联吡啶化合物,并解析了3种物质的晶体结构(其中1种为中间体),详细研究了三苯胺-三联吡啶的吸收、光致发光、电化学等性质,同时将化合物4和7制作了OLED器件并研究其电致发光特性。化合物随着三联吡啶“枝”的增加,紫外-可见吸收峰位出现红移,从一“枝”到三“枝”最大红移达18nm。在固态薄膜中三苯胺-三联吡啶的多“枝”化合物的吸收强度明显大于单“枝”。化合物的荧光寿命随三联吡啶“枝”的增加而增长,荧光量子产率有随“枝”的增加而降低的趋势。单“枝”化合物都有明显的电化学氧化还原峰,化合物都是随“枝”的增加氧化峰位逐步增大,增大幅度达到0.5V。化合物1-9表现出较好的热稳定性,所有物质的热分解温度均大于300oC。以化合物4和7为发光层制作OLED器件,两个器件的点亮电压均为6.0V,以化合物4为发光层的器件最大发光强度为3000cd/m~2。 4、在合成三苯胺-三联吡啶的基础上,我们制备了16种三苯胺-三联吡啶金属配合物。金属Ru(II)/Fe(II)与配体所形成的ML(metal-to-ligand)电子跃迁所产生的最大吸收峰在491-520nm/571-578nm范围内。不同配体对ML键电子跃迁所产生的最大吸收峰影响较大,相差达27nm,但是在金属配合物聚合之后配体结构对ML的吸收波长影响很小,只相差3nm。所有Ru(II)配合物在电压0.0-10.0V的作用下没有电致变色特性,而Fe(II)配合物表现出的电致变色特性与配体有关,其中配合物4-Fe的ML吸收峰强度在电压10.0V作用下下降幅度最大,降幅约达70%。金属配合物聚合物的膜片在0.0-2.0V电压之间可实现ML键吸收强度的光谱可逆变化,随着电压的增加ML吸收峰强度逐渐降低直至消失,而随电压的降低ML吸收峰强度逐渐升高直至恢复原来状态。结合不同的配体聚合物而表现不同的颜色,聚合物1-Ru可实现橙红色到蓝色之间互变,聚合物1-Fe可实现紫红色到淡黄绿色之间互变,聚合物4-Ru可实现橙红色到淡绿色之间互变,聚合物4-Fe可实现紫红色到墨绿色互变,聚合物7-Ru可实现橙红色到墨绿色互变,聚合物7-Fe可实现暗紫红色到深蓝色之间互变。


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