甲基修饰的咔唑/二苯砜基AIE-TADF蓝光材料及其OLED器件

doi:10.7503/cjcu20220371

摘要/Abstract

摘要：

以四甲基咔唑为电子给体(D)、二苯砜为电子受体(A)构建了具有D-A-D结构的纯有机咔唑/二苯砜衍生物——9,9'-[磺酰基双(3,1-亚苯基)]双(1,3,6,8-四甲基-9H-咔唑)(TMe-mSOCz). 对所合成材料的光物理性能研究表明, TMe-mSOCz表现出明显的聚集诱导发射(AIE)和热激活延迟荧光(TADF), 延迟寿命和延迟荧光占比分别为2.26 μs和47.7%, 并具有良好的电化学稳定性和热稳定性. 基于TMe-mSOCz作为非掺杂发光层制备了有机发光二极管(OLED)器件, 其启亮电压(V_on)为3.5 V, 最大外量子效率为5.63%, 国际照明委员会(CIE)坐标为(0.18, 0.26). 在1000 cd/m²亮度下, 非掺杂器件的效率滚降非常小(7.1%), 色彩稳定性较好, 其具有窄的半峰宽(FWHM=72 nm). 研究结果表明, 在传统TADF分子给受体间引入甲基修饰有利于开发具有AIE特性与更高效的D-A-D型TADF分子, 这为基于AIE-TADF分子开发新型OLED器件提供了新途径.

关键词: 热激活延迟荧光, 聚集诱导发射, 咔唑基二苯砜衍生物, 有机发光二极管, 非掺杂器件

Abstract:

A pure organic carbazole/diphenyl sulfone derivative with D-A-D structure， 9，9'-［sulfonylbis（3，1-phenylene）］bis（1，3，6，8-tetramethyl-9H-carbazole）（TMe-mSOCz）， was constructed using tetramethyl carbazole as electron donor（D） and diphenyl sulfone as electron acceptor（A）. The photophysical properties of the synthesized materials showed that TMe-mSOCz exhibited obvious aggregation-induced emission（AIE） and thermally activated delayed fluorescence（TADF）， with delayed lifetime and delayed fluorescence accounting for 2.26 μs and 47.7%， respectively， and good thermal and electrochemical stabilities. The organic light emitting diodes（OLEDs） fabricated based on TMe-mSOCz as the non-doped light-emitting layer exhibits a turn-on voltage（V_on） of 3.5 V， the maximum external quantum efficiency of 5.63%， and the International Commission on Illumination（CIE） coordinates of （0.18， 0.26）. At 1000 cd/m² brightness， the non-doped OLED device possesses a very low（7.1%） efficiency roll-off， good color stability， and a narrow full width at half maxima（FWHM） of 72 nm. The research results showed that the introduction of methyl modification between the receptors of traditional TADF molecules was beneficial to the development of D-A-D type TADF molecules with AIE characteristics and higher efficiency， which supplied a new route to OLED emitter fabrication based on AIE-TADF molecules.

Key words: Thermally activated delayed fluorescence, Aggregation-induced emission, Carbazolyl diphenyl sulfone derivative, Organic light emitting diode, Non-doped device

中图分类号:

O622.7

TrendMD:

伍泽鑫, 朱渊杰, 王泓中, 王均安, 贺英. 甲基修饰的咔唑/二苯砜基AIE-TADF蓝光材料及其OLED器件. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220371.

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图/表 9

Fig.1 Design idea of methyl?modified carbazole/diphenylsulfone?based AIE?TADF blue emitter

Fig.2 Structural optimization simulation of TMe?mSOCz and tBu?mSOCz

Fig.3 Theoretical simulation of the HOMO, LUMO spatial distribution and energy gap of TMe?mSOCz and tBu?mSOCzThe blue and green in the figure represent the positive and negative wave function phases， respectively.

Fig.4 UV?Vis absorption and fluorescence spectra(λex=365 nm) of TMe?mSOCz(A) and tBu?mSOCz(B) in toluene solution(1×10-3 mol/L) and thin film（A） Inset is the luminescence images of TMe-mSOC in toluene solution and in non-doped films.

Table 1 Photophysical and electrochemical properties of TMe-mSOCz and tBu-mSOCz

Comp.	TMe?mSOCz	tBu?mSOCz ^m	Comp.	TMe?mSOCz	tBu?mSOCz ^m
λ_abs^a /nm	296， 346	296， 340	ΔE_ST^g /eV	0.11	0.42
λ_abs^b /nm	297， 348	296， 343	τ_p^h /ns	14.6	5.59
λ_em^c /nm	448	422	τ_dⁱ /μs	2.26	285
λ_em^b /nm	458	430	Ф_PL^c （%）	11.2	36.2
E_g^d /eV	3.10	3.41	Ф_PL^b （%）	31.2	1.5
HOMO ^e /eV	-5.52	-5.36	Ф_PL^j （%）	59.6	—
LUMO ^e /eV	-2.42	-2.21	10⁷k_r^S^k /s^-1	2.14	0.27
T_d/℃	369	421	10⁷k_nr^S^k /s^-1	1.45	—
T_g/℃	105	160	10⁶k_ISC^l /s^-1	32.6	—
S₁/eV	3.09	3.30	10⁶k_RISC^l /s^-1	0.85	—
T₁^f /eV	2.98	2.88

Fig.5 AIE performance of TMe?mSOCz in THF/H2O mixtures with varying water contents(fw, %)（A） PL emission spectra（λex=365 nm） of TMe-mSOCz in THF/H2O mixed solvents（1×10?5 mol/L）；（B） the curve of the maximum PL wavelength and intensity vs. fw in mixed solvent， in which the inset is the fluorescence image of TMe-mSOCz in fw = 0—99% solution.

Fig.6 PL spectra and Lippert?Mataga dot?line plot of TMe?mSOCz in different polar solvents（A） PL spectra（λex=365 nm） of TMe-mSOCz dissolved in different polar solvents（1×10?3 mol/L）， where the inset is the fluorescence image of the solution；（B） Lippert-Mataga dot-line plot of TMe-mSOCz in different polar solvents， in which the inset is the spectral data of TMe-mSOCz in different solvents.

Fig.7 Fluorescence/phosphorescence and transient decay spectra of TMe?mSOCz（A） Fluorescence and phosphorescence spectra of TMe-mSOCz non-doped films at 77 K；（B） transient decay spectra of TMe-mSOCz non-doped films （λEx=365 nm）.

Fig.8 EL performance of AIE?TADF OLEDs based on TMe?mSOCz（A） EL spectra of the devices and PL spectra of TMe-mSOCz， in which the inset is the CIE 1931 chromaticity diagram and the EL emission image of the devices；（B） EQE vs. brightness curve of the devices where the inset is the energy level schematic diagram of the doped devices；（C） the current density-voltage-brightness curve of the devices；（D） the current efficiency-brightness-power efficiency curve of the devices.

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