基于磷芴的新型功能材料设计与制备及在有机光电器件中的应用

The development of novel building blocks for the construction of high-performance and multi-functional optoelectronic devices is the core in the research of organic optoelectronics. One highly effective way of construction new building blocks is to introduce heteroatom into the common organic π-conjugated systems. The strong interaction between the molecular orbitals of heteroatom and organic backbone will fundamentally modify the electronic structures and the corresponding optoelectronic properties. In this proposal, we intend to introduce phosphorus into the widely investigated molecule of fluorene, in hoping to obtain particular optoelectronic materials of phosphafluorenes, which take advantages of both fluorene and phosphorus. One the basis of our pervious work, a variety of novel phosphafluorenes and their corresponding oligomers and polymers were designed and suggested. After careful the optimization of molecular structure, synthetic method, and device structure, high-performance and multi-functional devices were expected. With the aid of quantum chemical calculations, the effects of phosphorus, substituents, organic backbone, and ways of phosphorus introduction were theoretically investigated. Based on both experimental and theoretical investigations, the influence mode of phosphorus on the optoelectronic properties was expected to be revealed. This application intends to provide in depth information both experimentally and theoretically on the development of high-performance and multi-functional organic optoelectronic materials, which will greatly promote the research and practical applications of organic optoelectronic functional materials and devices.

新型光电功能构筑单元的开发及其高性能化和多功能化是有机电子学领域的核心研究内容。将杂原子引入有机π共轭体系能有效影响材料的电子结构，进而调控其光电性能，是构筑新型有机功能分子的有效手段。本项目将磷原子引入得到广泛研究和应用的芴分子中，研究既具有芴类材料基本光电性能的同时又具备了磷原子较强的能级调控作用及其它附加特性的磷芴类材料，借鉴咔唑、芴类材料的研究成果，设计合成多种新型结构的磷芴类构筑单元并进行进一步的结构扩展和高分子化，通过分子结构优化、合成方法优化、器件结构优化等，制备高性能的基于磷芴类材料的多功能光电器件，结合量子化学理论计算和光电器件性能表征，深入研究磷原子及其取代基、有机共轭骨架和磷原子的引入方式对材料光电性能的影响，期望从分子水平上阐明磷原子对有机材料光电性能的影响模式和作用原理，为有机光电功能材料的高性能和多功能化的进一步发展及更多的实际应用提供实验和理论上的方法和依据。

新型光电功能构筑单元的开发及其高性能和多功能化是有机电子学领域的核心研究内容，本项目围绕将磷原子等杂原子引入有机π共轭体系，理性改变电子结构进而调控其光电性能，构筑了系列新型有机功能分子，并在有机光电功能器件中获得了很好的应用效果；结合量子化学理论计算，深入研究磷原子、有机共轭骨架和磷原子的引入方式对材料光电性能的影响，从分子水平上阐明磷原子等杂原子对有机材料光电性能的影响模式和作用原理。本项目研究发展了相关材料的合成制备方法，开发了多个系列磷芴类等含磷有机光电材料并研究了它们的器件应用，其中基于N-P=S共振的D-r-A主体材料的蓝色磷光器件获得了优异的器件性能，其最大的电流效率为39.7 cd/A，外量子效率为21.7%；基于N-P=S共振主体材料的超薄白光器件展现出标准的白光（色坐标：0.33,0.39），优异的器件性能（电流效率40.6 cd/A，外量子效率：16.4%）以及小的效率衰减（8.5%在亮度为1000 cd/m2时），目前OLED器件的最大外量子效率达到24%、OPV器件的效率达到3.2%、电存储器件的开关比可达到106。本项目还深入研究了单线态和三线态激发态的电致生成比例，激发态之间的转换，并且首次实现了有机长余辉发光。在本项目资助下，相关研究成果在Nature Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters、Chemical Society Reviews等著名期刊上发表SCI论文30余篇；多篇论文被选为热点论文和高被引论文；申请中国发明专利8件，其中3件获得了授权；培养了10余名具有综合科研背景的研究生，多名学生获得国家奖学金，部分学生已在国内知名高校获得教职并承担多项国家级项目。本项目的研究促进了新型磷芴类构筑单元及其相关材料的设计、合成和性能研究，深入研究和探讨了杂原子引入的合成方法、对光电性能的影响以及载流子传输和激发态的调控，首次实现了有机光电材料的长余辉发光、提出了具有动态自调节功能的智能有机光电材料的概念，相关领域的进一步研究将有力推动有机电子学理论和实际应用研究的进程。