含多芳基并咪唑基团的宽禁带聚合物的设计合成与性质研究

Organic wide bandgap conjugated polymers have wide HOMO-LUMO energy gaps (> 3.0 eV). They emit high energy photons and have been widely used in various kinds of optoelectronic devices. Wide bandgap organic materials with good semiconductive properties are urgently needed now and developing such materials is quite challenging. The key scientific issue is how to realize the balanced carriers ( hole and electron ) injection and transport in the wide bandgap materials. The construction of bipolar conjugated polymers by introducing the hole and electron-transporting funtional groups is an effective way to solve the problem. Based on the analysis of the electronic structure of aromatic imidazole unit, in this project, a series of novel monomers (derivatives of naphtho(1,2-d)imidazole, phenanthro(9,10-d)imidazole, pyreno(4,5-d)imidazole) will be designed and synthesized by one-pot reaction. Further, a series of new random and alternative copolymers containing various functionalized imidazole units on backbone and/or peripheral side chain to increase the holes and electrons injection and transport properties will be synthesized. The effects of the structures of the mainchain and sidechain on the singlet/triplet energies and carrier injection and transport properties of the polymers will be explored. The aim of this project is to select wide bandgap materials with high quantum efficiency, balanced carriers transport properties, good thermal and morphological stability. And then, developing this new class of wide bandgap bipolar polymers as active layers for various kinds of organic light emitting doides will be performed.

有机宽禁带共轭聚合物是一类具有较宽HOMO-LUMO能隙（>3.0 eV）的聚合物，发射高能光子，在多种器件中具有广泛应用。综合性能优良的宽禁带材料是有机光电领域中急需解决的材料体系。如何实现较宽带隙下高的发光效率和载流子（电子、空穴）平衡注入与传输是该类材料中的关键科学问题。发展新型多功能双极性共轭聚合物是解决该问题的有效途径。本项目从多芳基并咪唑基团的电子结构分析入手，利用高效的"一锅法"合成多种类型芳环结构的咪唑单体,进一步构筑系列蓝光与蓝紫发光的宽禁带共轭聚合物。研究主链与侧链不同组成,取代基数量与位置的变化对聚合物禁带宽度,发光效率与载流子注入性质的影响，深入总结构效关系，揭示多芳基并咪唑的发光本质及结构调谐与功能变化间的规律。最终优选出满足高发光效率、平衡的电荷注入、良好热力学和相态学稳定性多重要求的宽禁带聚合物，并发展含多芳基并咪唑基团的宽禁带聚合物在多种光电器件中的应用。

该项目执行期间, 项目负责人从多芳基并咪唑基团的电子结构分析入手，利用高效的”一锅法”合成多种类型芳环结构的咪唑单体,进一步构筑系列蓝光与蓝紫发光的宽禁带共轭聚合物与小分子。系统研究了取代基数量与位置的变化对聚合物禁带宽度,发光效率与载流子注入性质的影响，深入总结构效关系，揭示多芳基并咪唑的发光本质及结构调谐与功能变化间的规律。目前已经优选出满足高发光效率、平衡的电荷注入、良好热力学和相态学稳定性多重要求的宽禁带化合物，完成了项目提出的研究内容与既定目标。并通过分子结构-光物理性质-发光器件性能关系，提炼分子设计指导方法。项目执行期间发表SCI论文19篇，其中包括 2篇影响因子> 9的论文(Adv. Funct. Mater. (1)，Chem. Mater. (1) )，10篇影响因子> 4.5的论文Chem. Eur. J (3)， Chem. Commun. (1)，Chem. Asia. J (1)，Org. Lett. (1)，J Mater. Chem. C (1)，ACS Applied Mater. Interfaces (2)，Laser Photonic Rev. (1) )。申请中国发明专利5项。国内外会议邀请报告6次，口头报告12次。培养博士生3名，硕士生2名。主要取得了如下结果与关键数据：.（1）致力于开发新型高固态、双极性集团菲并咪唑用于宽禁带发光材料的构筑；得到了国际上已有报道的最高外量子效率（6.29%，y = 0.04）高性能蓝紫光器件。.（2）设计合成可利用热激子、TTA等多种原理提高激子利用率的菲并咪唑与芘并咪唑衍生物，并通过荧光的主客体掺杂，利用分子间多重能量转移，得到亮度超过100000 cd m-2的具有高激子利用率的蓝光器件。.（3）通过氰基调节超分子相互作用，构筑含蒽氰基取代的菲并咪唑化合物，得到了国际上具有高效率、高激子利用率和低效率滚降（9.44%@1000 cd m-2）的具有应用前景的高性能蓝光器件。