多重共振类窄谱带氮杂芳烃发光材料的构筑与光电性能研究

来源 :常州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xlq0225
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近年来,多重共振诱导热激活延迟荧光(MR-TADF)材料因其窄的发光半峰宽(FWHM)与高效的发光效率引起了国内外学者的极大关注。目前,MR-TADF材料实现了可见光全色域的高效窄谱带发光,已成为有机发光二极管(OLEDs)领域新的增长点。但是,MR-TADF材料的分子结构对窄FWHM发光的影响尚不明晰,精准调控窄FWHM和高效发光的设计策略缺少理论指导;多数MR-TADF材料因延迟荧光寿命较长,导致在器件中存在严重的发光效率滚降现象,MR-TADF材料及其器件的高质量发展仍面临巨大挑战。为此,本论文将从受体单元调控、给体单元调控、圆偏振发光(CPL)耦合三个维度,开展MR-TADF材料的分子构筑与性能研究,揭示该类材料高效发光的机制,探究影响发光谱带的本源以及调控的主导因素,构建高效窄谱带紫外发光材料,以及利用硫重原子效应缩短延迟荧光寿命,进而构筑高效发光、窄谱带发光和圆偏振发光“三合一”的圆偏振-多重共振-热激活延迟荧光(CPMR-TADF)材料,拓宽MR-TADF材料的应用领域。本文的主要研究内容与研究结果如下:一是设计合成了一类基于弱给电子单元咔唑和不同受体单元(氰基、砜基与羰基)的多环芳烃发光材料Cz CN、Cz Spa CN、Cz P5O和Cz AO,研究了受体单元结构和取代位置对多环芳烃发光材料发光性能的影响,提出了高效窄谱带紫光材料的设计规律,揭示了MR-TADF材料窄FWHM发光的本源。研究发现:(1)这类具有刚性结构的多环芳烃发光材料均实现了窄FWHM发光。其中,基于氰基弱吸电子单元的Cz CN和Cz Spa CN,以及基于砜基弱吸电子单元的Cz P5O均呈现了紫光发射,基于羰基较强吸电子单元的Cz AO呈现了蓝光发射。因此,在稠合的刚性结构中融入弱的给/吸电子单元,是构建窄FWHM紫光材料的有效策略;(2)理论计算表明Cz CN与Cz Spa CN并非MR-TADF材料,然而它们仍然呈现极窄FWHM发光,其甲苯溶液的发光峰/FWHM分别为379/13 nm和362/22 nm,表明平面刚性结构是窄发射峰宽的决定因素;(3)通过溶剂化效应,Lippert-Mataga模型与理论计算研究Cz Spa CN发光材料,进一步发现,螺芴基团的引入可有效减少分子的共轭程度以及加强电子与空穴分离,使Cz Spa CN发光材料具有杂化局部与电荷转移(HLCT)特性,并高效发射更深的紫光,其甲苯溶液的光致发光效率(PLQY)达到85%;(4)Cz P5O和Cz AO为MR-TADF材料,其甲苯溶液的发光峰/FWHM分别为377/29nm和451/36 nm,表明调控受体单元结构和取代位置可以调控发光的性质和FWHM。二是设计合成了一类基于受体单元羰基和不同给体单元(咔唑、吖啶、吩噁嗪和吩噻嗪)的氮/羰基型MR-TADF材料Cz AO、MQAO、QPXO和QPO,研究了电荷转移(CT)效应对氮/羰基型MR-TADF材料发光性能,特别是对FWHM的影响,阐明了调控窄FWHM发光的主导因素。研究发现:(1)随着给体单元(咔唑、吖啶、吩噁嗪和吩噻嗪)给电性的增强,Cz AO、MQAO、QPXO和QPO甲苯溶液的发光峰及FWHM不断增加,由Cz AO的431/36 nm增加至QPO的501/86 nm;(2)斯托克斯位移,溶剂化效应与理论计算进一步确认了分子内CT效应的强度顺序为Cz AO<MQAO<QPXO<QPO,与FWHM增加的顺序是一致的;(3)单晶结构分析分子的扭曲程度顺序是Cz AO<QPXO<MQAO<QPO,与理论计算所得的分子平面性参数与Huang-Rhys因子的结果是相同的,但与FWHM的变化顺序是不同的。由此推断,CT效应才是MR分子调控FWHM的主导因素;(4)随着分子CT效应的增强,虽然FWHM增大,但是其单三线态能隙(ΔEST)明显降低,TADF性能显著增强。其中,以QPO为发光材料,m CPCN为主体的OLED的最大外量子效率(EQEmax)达到了15.27%。三是利用不对称外围锁定策略,设计合成了一类由DABNA-1衍生而来,具有不同给体单元(二苯胺,吖啶,吩噁嗪和吩噻嗪)的硼/氮螺烯型MR-TADF材料BN1、BN2、BN3、BN4和BN5,分析了不对称给体单元外围锁定策略对外消旋能垒的影响,研究了重原子效应对发光性能的影响,探究了螺手性中心主动参与前线轨道分布的特征对手性光学性能的影响。研究发现:(1)不对称给体单元外围锁定策略可有效增大分子的螺旋曲率和外消旋化能垒,实现螺手性材料BN4与BN5的手性拆分;(2)引入重原子硫可有效减小ΔEST、提高反系间穿越(RISC)速率,因此,含硫分子(BN3、BN4和BN5)在同系列化合物中表现出更明显的TADF性能;(3)当绝对构型BN4和BN5对映体溶解在甲苯溶液中时,圆二色谱(CD)测试表明其在最低电子过渡态处(400-500 nm)具有较大的Cotton效应,CPL测试也呈现出明显的镜像对称关系;(4)当绝对构型BN4和BN5对映体以较低浓度掺杂在m CPCN膜中时,依然表现出明显的Cotton效应;(5)以BN4和BN5对映体制备的溶液加工型OLEDs,呈现出优良的电致发光性能,其最大外量子效率分别为20.6%/19.0%和22.0%/26.5%,电致发光不对称因子g EL分别为+3.7×10-3/-3.1×10-3和+1.9×10-3/-1.6×10-3。
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