基于激发态分子内质子转移凝聚态强发光材料的设计及应用研究

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基于激发态分子内质子转移(ESIPT)凝聚态强发光的材料具有斯托克斯(Stokes)位移大、光稳定性好、自猝灭低等优点,已经在物理、化学和生物科学领域引起了广泛关注。然而,目前基于ESIPT的材料往往是在蓝色和绿色区域发光。在本论文中,设计合成了两种基于ESIPT的材料,通过扩展ESIPT的π共轭结构,实现ESIPT材料的发射颜色呈现长波段的橙光和红光发射,并且它们在有机电致发光二极管(OLED)和温度传感领域表现出优异的性能。具体研究内容如下:(1)设计并合成ESIPT红光材料HBT-BF2和橙光材料HBT-TPA,对它们的分子结构进行了表征确认,通过溶剂化效应、稳态瞬态荧光光谱性质和密度泛函理论计算研究了这两种材料的基本光物理性质,发现两种材料均具有明显的杂化局域电荷转移激发态(HLCT)特征和凝聚态强发光性质。另外,研究了它们的热力学性质及电化学性质。两种材料均具有较好的热稳定性,HBT-BF2的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)能级分别为-5.91 e V、-2.99 e V,HBT-TPA的HOMO和LUMO能级分别为-5.83 e V、-3.67 e V。这些工作为后期材料的相关应用奠定了基础。(2)将红光材料HBT-BF2和橙光材料HBT-TPA分别应用到OLED中制备单分子红光和单分子橙光OLED,并对它们的器件结构进行优化。基于红光材料HBT-BF2的器件最大外量子效率(EQE)为2.0%,发射的红色荧光峰值为625 nm,色坐标为(0.6162,0.3813),该器件实现了高效稳定的红光发射。基于HBT-TPA的掺杂橙光OLED具有优异的器件性能,最大EQE为2.0%,发射的橙色荧光峰值为576 nm,色坐标为(0.496,0.4848)。两个器件中的激子利用率分别达到43.2%和33.8%,超过了传统荧光OLED器件的最大极限值25%,这是因为HLCT激发态之间发生快速的高能级反向系间窜越,从而促进电致发光过程中三重态激子向单重态的转化。(3)研究红光材料HBT-BF2的温度传感性质,探究其在荧光温度传感领域中的应用。HBT-BF2在有机溶剂二乙二醇二甲醚(MOE)中表现出随温度升高荧光强度逐渐下降的特性,将其应用于温度传感,最大相对灵敏度(Sr)可达18.29%oC-1。进一步研究了该材料在水和磷酸盐(PBS)缓冲液中纳米粒子的温度响应,研究了其温度传感性质。为了克服单波长荧光强度检测温度易于波动的缺点,将HBT-BF2与一种耐温型的三芳基磷氧化合物C1掺杂制成非能量传递的比率型有机荧光温度传感器,在20-90oC的宽温度范围内最大Sr为18.96%oC-1,温度分辨率低于1oC。在生理温度范围30-50oC之间减少温度间隔进行细化研究,发现温度传感的最大Sr高达21.60%oC-1,温度分辨率低至约0.4oC,并且可以借助肉眼观测荧光颜色的变化来指示温度,具有巨大的应用潜力。
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