芘由四个苯环组成,也称嵌二萘或者苯并菲,属于经典的多环共轭芳烃,它代表过去数十年里研究最为广泛的有机共轭小分子之一。这种平面共轭结构赋予了芘独特的光物理性质,例如发光效率高,寿命长,自组装以及易形成激基缔合物等。近几年来,芘及其衍生物作为有机半导体在有机电子领域初露锋芒,尤其在有机电致发光二极管、有机场效应晶体管和有机太阳能电池领域展现出广阔的应用前景。在电致发光领域芘由于大共轭结构可形成强的分子间π-π相互作用,导致固态下聚集淬灭荧光,这在很大程度上降低了芘及其衍生物固态下的荧光量子产率。早期解决这一问题的途径主要是通过引入大的位阻基团来拉大生色团之间的距离,然而这种方法会使发光分子的浓度减小,类似于客体分子掺杂在母体分子当中,在客体分子相邻激子相互作用减小的同时也减弱了相邻分子间载流子的跃迁几率,在一定程度上损失了分子间的电荷迁移。如何对芘进行功能化修饰从而得到综合性能优良的有机电致发光材料仍然面临巨大的挑战。咪唑是分子结构中含有两个间位氮原子的五元芳香杂环化合物,1号位和3号位氮原子的电子轨道分别为sp2等性杂化和sp2不等性杂化。1号位氮原子的未共用电子对参与环状共轭,氮原子的电子密度降低。这种含氮原子的杂环可以有效地调节材料的能级结构,常用来构筑高效有机电致发光材料或电子传输材料,譬如苯并咪唑类,萘并咪唑类和菲并咪唑类材料。我们综合芘单元和咪唑单元二者的优势设计合成了芘并咪唑发光单元,不同于以往通过取代的方式对芘进行修饰,我们采用“一锅法”合成路线一步生成咪唑并将其以类似并苯的结构嵌入到芘基团的4,5号位或4,5,9,10号位。芘并咪唑进一步拓展了芘的共轭结构,不仅提高电荷迁移性质,还提升材料的光化学稳定性和热力学稳定性。取代基的类别,大小和个数以及它们与芘并咪唑单元结合后的共轭程度、空间构型、刚性大小以及电子推拉效应等都会对分子的光电性质包括分子所具有的激发态性质产生重要的影响,此外还会影响分子聚集态下的堆积结构。本论文以此为出发点,设计并合成了三类芘并咪唑衍生物,研究了它们的光物理性质、电化学性质、热学性质、聚集态结构和电致发光性能,探究了分子结构与性能之间的关系。论文内容主要包括以下三个方面:1.给电子基团修饰及具有双极性的芘并咪唑材料:以1,2-二苯基芘并咪唑(pypi)为基础模型化合物,引入不同给电子基团如三苯胺、咔唑和二咔唑,一方面利用这些刚性基团增加位阻,另一方面提高材料的光热稳定性。为了平衡器件中载流子的注入与传输,进一步在三苯胺连接的芘并咪唑分子(pytpai)中引入了含氟的吸电子取代基,得到双极性芘并咪唑材料,用它们制备的有机电致发光器件开启电压均在3v以下。最后结合光物理测试和晶体结构分析了三苯胺相连芘并咪唑系列化合物的聚集态与发光效率的关系。2.激发态具有局域态与电荷转移态杂化特性的芘并咪唑蓝光材料:通过合理的分子设计,以三苯胺为给体,芘并咪唑或氰基作为受体,设计合成了四个给-受体型化合物。光物理测试和理论模拟结果帮助我们分析了这四个化合物中的ct态和le态的能级位置关系。在特定分子结构下,ct态和le态的空间波函数交叠程度大(pyptpai)或者能量接近(pyptpai-cn)时,ct态与le态可以混合或杂化形成一种新的激发态形式—杂化激发态,即hybridizedlocalandcharge-transfer(hlct)excitedstate。具备杂化激发态的化合物pyptpai和pyptpai-cn表现出了更高的发光效率与更高的激子利用效率。通过进一步的分子设计,将芘并咪唑作为给体,芘基团作为受体设计合成了pypi-py化合物,新型的d-a分子结构形成了准杂化的激发态,即局域态与电荷转移态的杂化更加充分,从而形成了一个与le态和ct态等价的杂化激发态。pypi-py非掺杂器件兼顾高发光效率,高激子利用率和高的载流子注入与传输性质。器件的开启电压只有2.6v,器件最大外量子效率为8.46%,最大电流效率为13.38cda-1,最大功率效率为10.74lmw-1,最大亮度为75687cdm-2,同时器件展现了极高的效率稳定性,外量子效率为8.07%@1000 cd m-2和8.33%@10000 cd m-2。器件的激子利用率高达74%,远远超过了25%的理论上限。此外PyPI-Py晶体的结构表明分子呈现错位交叉排列,相邻分子的相互作用较弱,大幅提升化合物固态下的发光效率(薄膜52%,晶体60%)。我们通过合理的分子设计得到了高效的芘并咪唑蓝光材料。3.具有聚集诱导发光特性的芘并咪唑材料及芘并咪唑异构体:通过引入具有聚集诱导发光性质的四苯基乙烯(TPE)基团,得到了高效率的芘并咪唑化合物PyTPEI和PyPTPEI,二者固态薄膜发光效率分别为70%和63%。进一步增加TPE基团的数量,通过“一锅法”一步得到顺式轴对称和反式中心对称的芘并咪唑结构同分异构体(syn-PyDTI和anti-PyDTI)。虽然两种异构体在表面电子结构上基本一致,然而具有顺式结构的syn-PyDTI无论在聚集态(晶体和薄膜)还是在单分子状态(掺杂薄膜)下均表现出更高的发光效率。syn-PyDTI的晶体荧光量子产率和薄膜荧光量子产率分别是anti-PyDTI的2倍和1.5倍。顺式syn-PyDTI的器件结果也展示出更高的发光效率,其最大电流效率为11.42 cd A-1,anti-PyDTI为8.12 cd A-1。通过效率和瞬态光谱可知顺式syn-PyDTI在固态下的辐射速率较高而非辐射跃迁速率较低,实验结果证实了分子激发态性质与分子对称性的依赖关系。此外syn-PyDTI和anti-PyDTI晶体结构和堆积模式的差异也说明不同对称性对分子刚性和分子间相互作用的影响。这部分工作进一步揭示了分子结构(对称性)与性质(发光效率、溶解度、聚集态)的关系,对结构异构体在有机光电领域的贡献不可小觑。