基本信息
- 项目名称：
- 芴基膦氧电致磷光蓝光主体材料：一种获得高三线态能级的有效策略
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 近年来，主客体掺杂的有机电致磷光器件（PHOLEDs）由于其高效性得到了广泛的关注，用于蓝光磷光器件的芳香膦氧主体材料成为研究热点，如何构建新型高效的电致磷光主体材料是一个迫切需要解决的关键问题。本研究成果为构建高能隙和均衡载流子传输的高效芴基膦氧主体材料提供一种新颖的结构设计策略——间接连接型分子结构，为此类材料的进一步提高性能提供了理论指导和实验支持。
- 详细介绍：
- 近年来，主客体掺杂的有机电致磷光器件（PHOLEDs）由于其高效性得到了广泛的关注，然而在蓝光主体材料中高三线态能级与好的电荷传输性能无法同时满足的矛盾，严重阻碍了器件性能的提高。本作品提出一种实现高三线态能级蓝光磷光主体材料的有效策略——间接连接型分子结构，即通过芴的9-位C间接引入芳香膦氧基团。并依据此策略通过傅氏酰基化，桑德迈尔及磷酸化反应合成两种新颖的芴基膦氧蓝光磷光主体材料。对其进行高斯模拟，单晶衍射，光物理，电化学及器件性能的测试和研究。 这种分子设计策略有以下特点：1）芴和芳香膦氧通过9位C连接所形成的扭曲结构可以有效地保持芴的三线态能级，两种材料的三线态能级高达2.99 eV。较之前报道的以芳香膦氧基团2,7-位取代芴的主体材料的三线态能级提高了0.27eV，更有利于能量从主体到客体的传输，并为材料的进一步复杂功能化奠定基础；2）芳香膦氧基团与芴的这种间接连接方式可以更好地极化分子；3）芳香膦氧基团在芴两侧形成的较大位阻有效地减少芴分子间的π-π相互作用，提高材料的热力学稳定性、形态稳定性。以芴基膦氧为主体材料、FIrpic为客体材料制备的蓝光磷光器件具有良好的电致发光性能：启动电压低至3 V、效率可达13.8 lm/W和14.6 cd/A，真正实现低压驱动和低能耗兼备的目标。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 蓝光磷光主体材料需具有高于磷光染料的三线态能级及好的载流子注入传输性能。芳香膦氧基团由于其独特结构及极化作用被广泛应用于蓝光主体材料中。然而，现有的芳香膦氧基团都是通过分子长轴直接修饰（芴2，7-位），P=O键仍会导致三线态能级的下降。因而我们提出通过芴的9-位C间接引入芳香膦氧基团的策略，更为有效地保持分子的三线态能级，利于能量从主体到客体的传输，并为材料的进一步复杂功能化修饰奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 本文新颖的分子设计思想，更好地解决了蓝光主体材料在保持分子高三线态能级和良好电荷传输性能之间的矛盾。三线态能级的提高有利于能量从主体到客体的传输，并为材料的进一步功能化修饰奠定了基础。制备的蓝光磷光器件具有良好的电致发光性能：启动电压低至3 V、效率可达13.8 lm/W和14.6 cd/A，真正实现了低压驱动的高效蓝光磷光器件。为新型高效电致蓝光磷光主体材料的设计合成提供了理论指导和实验支持。
应用价值和现实意义
- 有机电致发光（OLED）平板显示领域作为近年来的新兴产业，技术尚未完全成熟，仍未实现大规模的产业化。因而在OLED平板显示领域我们拥有赶上并超过国际先进水平的机会。通过对材料分子的结构设计，合成新颖的OLED材料；通过研究其结构及器件性能，得出材料结构性能的相关性并为进一步提高器件性能直至达到产业化标准提供理论基础。构建OLED新材料，建立独立的知识产权体系，为我国信息产业的独立发展作出贡献。
学术论文摘要
- 芳香膦氧基团由于其独特的打断共轭及极化特性，使材料具有良好的电荷传输性能的同时具有较高的三线态能级，以其作为蓝光磷光主体材料得到广泛关注。然而，现有的芳香膦氧基团都是通过分子长轴直接修饰（芴2，7-位），P=O键仍会导致三线态能级的下降，因而实现高效蓝光芳香膦氧主体材料的关键是寻找一种更为合适的连接方式，更好的保持分子的三线态能级，为更为复杂的功能化奠定基础。 本作品提出一种实现高三线态能级蓝光磷光主体材料的有效策略——间接连接型分子结构，即通过芴的9-位C间接引入芳香膦氧基团。并依据此策略通过傅氏酰基化，桑德迈尔及磷酸化反应合成两种新颖的芴基膦氧蓝光磷光主体材料。对其进行高斯模拟，单晶衍射，光物理，电化学及器件性能的测试和研究。材料的三线态能级高达2.99eV，以芴基膦氧为主体材料、FIrpic为客体材料制备的蓝光磷光器件具有良好的电致发光性能：启动电压低至3 V、效率可达13.8 lm/W和14.6 cd/A，真正实现低压驱动和低能耗兼备的目标。
获奖情况
- 1. 2011年在John Wiley主办的《欧洲化学》期刊发表论文一篇（Chemistry-A European Journal, 2011, 17, 2592–2596），SCI收录，影响因子5.38。 2. 第十届学生学术科技成果校级一等奖。
鉴定结果
- 无
参考文献
- a) Chem. Mater. 2006, 18, 2389-2396. d) Chem. Mater. 2009, 21, 1017–1022. c) Adv.funct.mater. 2009, 19, 2834-2843.
同类课题研究水平概述
- 红色和绿色发光材料与器件已有很好的性能表现和突破，想要实现全彩色的OLED，最大的挑战就是蓝光器件。对于磷光主客体掺杂的OLED发光来讲，掺杂体的研究已初具规模，器件效率得不到显著提高的主要原因在于缺少性能优良的磷光蓝光主体材料。主客体掺杂体系中，能量无法有效地传输，从而影响器件的效率。因而，稳定高效的磷光主体材料的研究开发是蓝光OLED商业化应用亟待解决的问题。 对于蓝色磷光主体材料来讲，需要具有高于蓝光磷光染料的三线态能级及良好的电荷传输性能。然而，在许多材料中，这两者往往是相矛盾的。对于芴体系，为了保证其高的三线态能基，通常采用9位取代和打断共轭两种方式。 通过SP3杂化的C，在芴的9位引入芳胺及芳香烃类衍生物的修饰，虽然能够保持芴的三线态能级在蓝光水平，但其弱的电子传输性能，直接影响器件效率；而Si类衍生物自身的电惰性，打断共轭的同时，并不能使电荷达到很好的平衡。芳香膦氧基团独特的打断共轭及极化作用，出现以来成为研究的热点。2006年首次将二苯基膦氧基团引入芴体系中，合成2，7-位取代芴基膦氧蓝光主体材料。芴的2,7-位取代的方式属于长轴修饰，PO基团在打断共轭的同时，P=O键仍会导致三线态能级的部分下降。虽然如此，该材料仍然实现了2.72 eV的三线态能级， 8.1%器件效率；2009年通过苯基咔唑，三苯胺基团对这一体系进行简单的功能化修饰，合成双极性的芴基芳香膦氧主体材料，器件效率分别高达14.8%和20.6%。 为了更好的保持材料的三线态能级，我们设计合成通过芴的9-位C间接引入三苯基氧磷基团的主体材料，该材料较通过芴的2，7-位引入芳香膦氧材料的三线态能级显著提高了0.27 eV。并通过此类主体材料实现了≈3.0 V的低压驱动高效蓝光磷光器件。高的三线态能级在保证能量传输更加充分的同时，为更为复杂的多功能化修饰留下了更大空间。
