芘功能化光电材料的设计、合成与应用

论文摘要

随着信息技术的进步,人们对显示终端的要求越来越高。平板显示器和柔性显示器成为时代发展的必然产物。从20世纪90年代开始,有机光电材料与器件的迅速发展顺应了信息显示发展的要求。有机平板显示以其轻薄、响应快、能耗低、视角宽、可以实现柔性屏等特点受到科学界和商业界的重视。在随后几十年的发展中,材料和器件这两个方面都突飞猛进。器件上,多层器件,旋涂器件,电极的改善等方面的进步极大的提高了效率。从材料上讲,各种功能的小分子材料,聚合物材料不断的被报道,性能逐步提高,结构和功能之间的关系也逐步建立起来。有机光电技术是一门基础应用型科学,除了致力于开发使用性材料与器件之外,通过近30年的发展,科学家积累了很多共轭材料结构和性能间关系的经验,极大的丰富了有机半导体的内涵和外延。在器件技术上,很多重要技术也相继被开发出来,如电极界面工程和旋涂阴极等技术。本论文从材料化学的角度来探讨材料的结构和功能的相关信息。主要研究对象为宽带隙有机半导体。在宽带隙发光材料上,芴类材料是突出的明星结构,它们的小分子和聚合物都有很高的热稳定性和荧光量子效率。芴类的寡聚芴和聚合物有很好的溶解性和成膜性,可以通过旋涂和喷墨打印来制备器件。芴具有多位修饰的特点,可以将功能结构修饰到不同位置上。同时它可以和多种单体共聚,调节材料的电子结构。本文除了引用芴结构,另外一个重要单体为芘单元。芘分子作为一个大稠环,有很高的荧光量子效率和深蓝光发射,在生物上有广泛的应用。从器件上讲,它能够提高材料的迁移率和空穴注入的性能。芘的这些性质使得它们很有希望成为光电材料,但是相关的研究却很少。和芘同系的蒽分子在光电材料上的研究却非常之多。在本文中我们将芘作为功能单元来构建新型的光电材料。本论文设计了三个系列的芘功能化芴类光电材料,详细的表征了它们的物理化学性能,电子结构和在发光器件上的应用。第一章中,我们从材料结构和性能的角度综述了线性聚芴、芴的共聚物、超支化聚芴、树枝状和星状大分子、蒸镀小分子和旋涂小分子电致发光材料的研究进展,比较了这些不同类型的材料各自独有的特点,并且初步总结出一定的结构和性能的关系。从文献调研中我们总结出材料设计的规律,探讨了光电材料值得研究的几个方向,并且提出了本论文的设计思路和主要研究内容。第二章中,我们总结了本论文中所以使用的各种表征手段。首先我们总结了材料合成中使用的各种化学药品和相关表征手段。其次我们介绍了器件制备的一些内容。最后,我们归纳了本文使用到的量子化学的一些基本理论。第三章中,我们研究了芘功能化螺环分子的光电性能。9,9—螺双笏是光电材料中的明星分子,它们有很好的热稳定性和形貌稳定性,在发光材料中被广泛应用。我们首先研究发展了一种新型的制备氧杂蒽螺环的方法。接着我们拓展了这种方法,制备了一系列氧杂蒽结构的功能单体,利于芘功能单元修饰,制备光电材料。最后我们通过合成,制备了不同大小的稠环螺芴,通过芘功能化,制备光电材料,并且研究了螺环大小对材料光电性能的影响。第四章中,我们用芘对芴的9位进行修饰,制备了芘修饰的9,9—二芳基芴。然后通过芘修饰9,9—二芳基芴的2,7位,制备了蓝光功能材料。当我们在芴的2,7位引入芘炔,这样得到的分子在溶液中呈蓝光,薄膜态呈绿光发射。这类分子特殊的性能在于它们能够通过旋涂来制备光电器件,这是非常有意思的一个研究方向。2006年杜邦报道了他们在小分子旋涂技术上的突出进步,成为光电领域的一个重要进步。但是相关技术细节都是秘密,我们设计的小分子旋涂材料初步的研究了结构和旋涂性能的关系,希望为这项技术的进步做一点贡献。第五章中,我们利于芘作为星状分子的核心,合成了一系列四取代星状寡聚芴。星状共轭分子是近年来光电材料的一个新亮点,相当多的分子被报道出来。但是相关的结构和性能的关系研究的比较少,我们除了研究光电性能还初步研究了结构和性能的关系。同时通过量化手段研究了它们及其对比结构的电子结构特征。随后我们我们通过量化的手段研究了一些列不同取代的芘核星状分子的电子结构特征,筛选有用的光电分子。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有机电致发光器件基本原理
• 1.2.1 有机发光二极管器件基本结构
• 1.2.2 发光二极管器件的效率
• 1.3 聚芴类发光材料
• 1.4 超支化结构的电致发光材料
• 1.5 树枝状大分子共轭化合物
• 1.6 小分子电致发光材料
• 1.7 本论文的总体设计思路
• 1.8 参考文献
• 第二章 材料的表征和相关基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料
• 2.3 材料的表征
• 2.3.1 结构的表征
• 2.3.2 光谱的表征
• 2.3.3 热性质的表征
• 2.3.4 电化学的表征
• 2.4 器件的制备
• 2.4.1 器件制备流程
• 2.4.2 器件电学性能表征
• 2.4.3 制备发光器件的仪器设备
• 2.5 量化的基本原理
• 2.5.1 计算方法的理论原理
• 2.5.2 本文相关计算方法
• 2.6 本章小结
• 2.7 参考文献
• 第三章 新型芘功能化螺环发光材料
• 3.1 引言
• 3.2 一锅法合成螺[芴-9,9′-氧杂蒽]衍生物
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.3 小结
• 3.3 芘修饰螺[芴-9,9′-氧杂蒽]衍生物
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.2.1 材料的物理化学性质
• 3.3.2.2 分子的电子结构
• 3.3.2.3 器件性能
• 3.3.3 小结
• 3.4 芘修饰稠环螺芴衍生物
• 3.4.1 实验部分
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.4.2.1 材料的物理化学性质
• 3.4.2.2 分子的电子结构
• 3.4.2.3 器件性能
• 3.4.3 小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 芘功能化小分子旋涂材料
• 4.1 引言
• 4.2 芘功能化小分子蓝光材料
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.2.1 材料的物理化学性质
• 4.2.2.2 蒸镀器件性能
• 4.2.2.3 旋涂工艺的研究
• 4.2.3 小结
• 4.3 芘功能化小分子绿光材料
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.2.1 材料的物理化学性质
• 4.3.2.2 器件性能
• 4.3.3 小结
• 4.4 芘功能化小分子材料的电子结构
• 4.5 本章总结
• 4.6 参考文献
• 第五章 芘中心四取代分子功能材料
• 5.1 引言
• 5.2 以芘为核的星状分子材料
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.2.2.1 材料的物理化学性质
• 5.2.2.2 器件性能
• 5.2.2.3 电子结构
• 5.2.3 小结
• 5.3 四取代芘衍生物的电子结构研究
• 5.3.1 分子几何构型优化
• 5.3.2 分子前线轨道
• 5.3.3 吸收光谱
• 5.3.4 相关能量
• 5.3.5 紫外光电子能谱
• 5.4 本章小结
• 5.5 参考文献
• 第六章 全文总结
• 硕士期间发表论文
• 致谢