含硅有機共軛光電功能材料的設計、合成及性能研究.pdf

1、在過去的幾十年間，以有機共軛分子為代表的有機半導體材料引發(fā)了一場光電子材料領域的革命，并由此誕生了一門新興學科—有機電子學。發(fā)展迄今，有機材料在發(fā)光二極管、太陽能電池、場效應晶體管、電存儲、生物/化學傳感器等領域相繼獲得應用。近年來，含硅有機光電功能材料受到了廣泛的關注，設計合成了許多新穎的、性能優(yōu)異的光電功能材料。這主要是由于硅原子最外層d軌道的存在，在與π共軛體系形成σ-π*共軛的同時，最外層d軌道與π共軛體系也存在部分重疊，這使化

2、合物具有相對較低的LUMO能級，有利于電子的注入，并且由于硅原子半徑較大，形成的鍵容易極化，鍵能低，在合成上很容易引入其它的具有特定載流子傳輸性質(zhì)的官能團來調(diào)節(jié)化合物載流子的注入和傳輸性質(zhì)。本文主要圍繞含硅有機共軛光電功能材料的設計、合成及其在器件中的應用，研究化合物的光物理性能及其電學性能。研究內(nèi)容如下:首先針對如何構(gòu)建理想主體材料，設計合成了基于芳香硅烷和咔唑的主體材料，研究了其作為主體材料時藍光電致磷光器件的性能，提出了構(gòu)建理想主

3、體材料的新理論;其次針對硅原子引入到大平面共軛分子的合成問題，開發(fā)了基于過渡金屬催化構(gòu)建含硅的大平面共軛分子的方法，研究了合成的分子作為藍光主體材料的性質(zhì);最后針對難以調(diào)節(jié)π堆疊聚合物電荷傳輸性能的問題，基于聚乙烯基咔唑，設計、合成了一種新型的π堆疊聚合物—聚乙烯基甲基硅芴，研究了其作為活性層時納米保險絲器件的性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設計、合成了基于含芳基硅烷的主體材料，提高化合物的熱穩(wěn)定性，獲得了高效穩(wěn)定的藍光電致發(fā)光

4、器件。在傳統(tǒng)的UGH類材料的基礎上，通過δ鍵（Si-N鍵）直接相連，將其中的苯環(huán)換成具有高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異載流子傳輸性能的咔唑基團，合成了四種新型的主體材料。通過實驗和量子化學計算研究表明，這些新型的主體材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性(Td:295-359℃，Tm:206-268℃)，高的三線態(tài)能級(3.0 eV)，合適的HOMO(-5.65～-5.83 eV)以及優(yōu)異的成膜性?；谠擃愔黧w材料的藍光電致發(fā)光器件獲得了較好的性能，其中啟動電壓為3

5、.0V，最大的電流效率，功率效率和外量子效率分別為23.4 cd/A，19.3 lm/W和12.4％。⑵設計、合成了三苯基硅修飾的含芳基硅烷的主體材料，進一步改善了化合物的光電性能，提高藍光電致發(fā)光器件性能。設計、合成了以Si-N、Si-C鍵相連的主體材料，對化合物的熱分析、光譜、電化學等性能進行了系統(tǒng)的表征，探索了這類材料作為主體材料在藍光電致磷光器件中的應用。研究結(jié)果表明，通過Si-C鍵連接方式引入具有一定吸電子能力的三苯基硅基團后

6、，化合物的熱穩(wěn)定性得到提高（Td:295-427℃，Tm:206-272℃），相似的光物理性質(zhì)（基本一致的吸收和發(fā)射光譜），高的三線態(tài)能級(～3.0 eV)，合適的HOMO（-5.65～-5.90eV)和LUMO(-1.95～-2.23 eV)能級。藍色磷光器件結(jié)果表明，器件具有極低的啟動電壓(2.6V)，較好的器件性能(電流效率為14.8 cd/A)。⑶設計、合成了基于芳基硅烷-苯環(huán)-咔唑的主體材料體系，提出新的構(gòu)建理想主體材料設計理

7、念。通過調(diào)節(jié)主體材料三線態(tài)激子形成截面和三線態(tài)激子形成比率來設計理想的主體材料。通過理論與實驗相結(jié)合的方法，詳細的研究了主體材料的光物理和電化學性質(zhì)。研究結(jié)果表明SiPCz較SiPTCz有著相似的光物理和電化學性質(zhì)，其最大的不同是SiPCz較SiPTCz有著小的三線態(tài)激子形成截面和三線態(tài)形成比率。通過限制主體材料三線態(tài)激子的形成比例可以很好的抑制由主體材料三線態(tài)激子引起的三線態(tài)-極化子淬滅(TPQ)效應。器件結(jié)果表明具有小的三線態(tài)激子形

8、成截面和激子形成比例的SiPCz顯示出了優(yōu)異的器件性能，其中電流效率、功率效率和外量子效率分別為43.7 cd/A，32.7 lm/W和20.7％。⑷設計、合成了含硅原子的大尢共軛分子—硅嗪衍生物，并將其應用于藍色磷光電致發(fā)光器件。通過過渡金屬催化的方法將硅原子引入到大π共軛平面中。該方法具有產(chǎn)率高，前體易得，操作簡單等特點，并且可以拓展到合成其它類的硅嗪衍生物。通過實驗和理論計算相結(jié)合的方法，詳細研究了化合物的光物理和電化學性能。研究

9、結(jié)果表明硅嗪衍生物具有較好的熱穩(wěn)定性（Td:246℃，Tm:150℃），高的三線態(tài)能級(～3.0 eV)，合適的HOMO和LUMO能級。首次將硅嗪衍生物作為主體材料應用到藍光電致磷光器件中，取得了與其他類主體材料相媲美的器件性能，其中電流效率為24.2 cd/A、功率效率為20.3 lm/W，外量子效率為11.2％。⑸設計、合成了含硅原子的聚合物—聚乙烯基甲基硅芴，并將其應用于納米保險絲器件。該聚合物展現(xiàn)出優(yōu)異的分子保險絲的性質(zhì)，表現(xiàn)出