含硅有機(jī)共軛光電功能材料的設(shè)計(jì)、合成及性能研究.pdf

1、在過(guò)去的幾十年間，以有機(jī)共軛分子為代表的有機(jī)半導(dǎo)體材料引發(fā)了一場(chǎng)光電子材料領(lǐng)域的革命，并由此誕生了一門(mén)新興學(xué)科—有機(jī)電子學(xué)。發(fā)展迄今，有機(jī)材料在發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電存儲(chǔ)、生物/化學(xué)傳感器等領(lǐng)域相繼獲得應(yīng)用。近年來(lái)，含硅有機(jī)光電功能材料受到了廣泛的關(guān)注，設(shè)計(jì)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(shí)，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(duì)較低的LUMO能級(jí)，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(tuán)來(lái)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(jī)共軛光電功能材料的設(shè)計(jì)、合成及其在器件中的應(yīng)用，研究化合物的光物理性能及其電學(xué)性能。研究?jī)?nèi)容如下:首先針對(duì)如何構(gòu)建理想主體材料，設(shè)計(jì)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(shí)藍(lán)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(duì)硅原子引入到大平面共軛分子的合成問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于過(guò)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(lán)光主體材料的性質(zhì);最后針對(duì)難以調(diào)節(jié)π堆疊聚合物電荷傳輸性能的問(wèn)題，基于聚乙烯基咔唑，設(shè)計(jì)、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(shí)納米保險(xiǎn)絲器件的性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計(jì)、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(lán)光電致發(fā)光

4、器件。在傳統(tǒng)的UGH類(lèi)材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(tuán)，合成了四種新型的主體材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和量子化學(xué)計(jì)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(jí)(3.0 eV)，合適的HOMO(-5.65～-5.83 eV)以及優(yōu)異的成膜性?；谠擃?lèi)主體材料的藍(lán)光電致發(fā)光器件獲得了較好的性能，其中啟動(dòng)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(shè)計(jì)、合成了三苯基硅修飾的含芳基硅烷的主體材料，進(jìn)一步改善了化合物的光電性能，提高藍(lán)光電致發(fā)光器件性能。設(shè)計(jì)、合成了以Si-N、Si-C鍵相連的主體材料，對(duì)化合物的熱分析、光譜、電化學(xué)等性能進(jìn)行了系統(tǒng)的表征，探索了這類(lèi)材料作為主體材料在藍(lán)光電致磷光器件中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，通過(guò)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(tuán)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(jí)(～3.0 eV)，合適的HOMO（-5.65～-5.90eV)和LUMO(-1.95～-2.23 eV)能級(jí)。藍(lán)色磷光器件結(jié)果表明，器件具有極低的啟動(dòng)電壓(2.6V)，較好的器件性能(電流效率為14.8 cd/A)。⑶設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)理

7、念。通過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)理想的主體材料。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，詳細(xì)的研究了主體材料的光物理和電化學(xué)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(xué)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(guò)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(yīng)。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(shè)計(jì)、合成了含硅原子的大尢共軛分子—硅嗪衍生物，并將其應(yīng)用于藍(lán)色磷光電致發(fā)光器件。通過(guò)過(guò)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(jiǎn)單等特點(diǎn)，并且可以拓展到合成其它類(lèi)的硅嗪衍生物。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，詳細(xì)研究了化合物的光物理和電化學(xué)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(jí)(～3.0 eV)，合適的HOMO和LUMO能級(jí)。首次將硅嗪衍生物作為主體材料應(yīng)用到藍(lán)光電致磷光器件中，取得了與其他類(lèi)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(shè)計(jì)、合成了含硅原子的聚合物—聚乙烯基甲基硅芴，并將其應(yīng)用于納米保險(xiǎn)絲器件。該聚合物展現(xiàn)出優(yōu)異的分子保險(xiǎn)絲的性質(zhì)，表現(xiàn)出