含苯并硒二唑聚咔唑/芴类共轭聚电解质及其前驱体的合成与性能研究

采用Suzuki偶合反应合成了一系列新型的咔唑、芴和2,1,3-苯并硒二唑的共聚物——聚[3,6-(N-(2-乙基己基))咔唑-2,1,3-苯并硒二唑-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴](PCzN-BSeD)及其相应的聚电解质衍生物——聚[3,6-(N-(2-乙基己基))咔唑-2,1,3-苯并硒二唑-9,9-(双(3′-(N,N-二甲基)-N-乙基铵)丙基)芴]二溴(PCzNBr-BSeD).在聚咔唑和芴中引入不同比例的2,1,3-苯并硒二唑(BSeD)单元,引起了由咔唑和芴链段向窄带隙苯并硒二唑(BSeD)单元有效的能量转移.通过对聚合物电致发光性能的研究,发现用聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)(PEDOT)或聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)/聚乙烯咔唑(PEDOT/PVK)作为空穴传输层时,器件的性能相差不大,表明咔唑的引入较明显的改善了聚合物的空穴注入性能.而且几乎所有的聚合物用高功函数铝作阴极的器件和用钡/铝作阴极的器件具有相近的发光性能,表明这类聚合物具有良好的电子注入性能.     

9,9-二辛基芴的电化学聚合

在三氟化硼乙醚(BFEE)中, 9,9-二辛基芴可以直接阳极氧化制备高质量聚(9,9-二辛基芴)膜, 其电导率为1×10^－2 S/cm. 9,9-二辛基芴在BFEE中的起始氧化电位为1.25 V vs. SCE, 低于单体在0.1 mol/L Bu₄NBF₄的乙腈溶液体系中的起始氧化电位(1.52 V vs. SCE). BFEE中获得的聚(9,9-二辛基芴)膜具有良好的电化学性质. 聚合物部分溶于氯仿、四氢呋喃、二甲基亚砜等极性溶剂. FTIR和¹H NMR表明聚合反应主要发生在2,7位. 荧光光谱表明聚合物是一种良好的蓝色荧光物质.     

烷基芴与三苯胺取代-3,6-芴共聚物的合成及其性能

用Suzuki偶联反应制备了一系列新型的9,9-二辛基-2,7-芴(DOF)与9,9-二(4-二苯胺基苯基)-3,6-芴(36FT)的共聚物. 所有的聚合物均可溶于常见的有机溶剂(如THF, CHCl3和甲苯等), 分子量在47000~189000之间. 电化学研究结果表明, 所有聚合物的HOMO能级都高于均聚烷基芴, 并且随着36FT含量的增加, HOMO值逐渐上升. 以该类聚合物为发光层制作了结构为ITO/PEDOT/PVK/polymer/Ba/Al的器件, 获得了稳定的蓝光发射, 其中以36PFT10为发光层的器件获得了0.52%的最大外量子效率.     

以膦酸酯聚芴作为阴极界面修饰层的高效聚合物红光电致发光器件

以膦酸酯聚芴为阴极界面修饰层, 高功函金属铝为阴极, 制备了一种高效聚合物红光电致发光器件. 通过X射线光电子能谱(XPS)的表征, 分析了经真空蒸镀沉积在膦酸酯聚芴表面的Al原子与下层的膦酸酯聚芴在有机物-金属界面处的作用情况, 结果表明, 在真空蒸镀金属Al的过程中, 在有机物-金属界面处形成了一种氧/铝复合物. 研究了这种氧/铝复合物对器件光电性能的影响, 结果表明, 氧/铝复合物的产生提高了阴极电子的注入, 使器件效率得到了很大提高. 与以Ca/Al为阴极的传统器件相比, 以膦酸酯聚芴/Al为阴极的聚合物电致发光器件的效率提高了75%, 达到7.0 cd/A.     

超薄铝/碳酸锂修饰氧化铟锡阴极制备蓝色磷光反转底发光有机发光二极管

在氧化铟锡（ITO）阴极上依次蒸镀2 nm铝和2 nm碳酸锂（Li2CO3）薄膜作为电子注入层,成功制备出器件结构为ITO/Al/Li2CO3/SPPO13/SPPO13∶FIrpic/TCTA/MoO3/Al(SPPO13：2,7-双（二苯基磷）-9,9′-螺二[芴];FIrpic：双(4,6-二氟苯基吡啶-N,C2)吡啶甲酰合铱;TCTA：4,4′,4″-三(咔唑-9-基)三苯胺)的蓝色磷光反转底发光有机发光二极管（IBOLED）。 结果表明,Al/Li2CO3作为电子注入层可以有效降低ITO与有机材料之间的电子注入势垒,蓝色磷光IBOLED的起亮电压由11 V降至4.2 V,器件的发光效率也得到有效提高。 蓝光磷光IBOLED的最大电流效率与功率效率分别达到了28.2 cd/A和19.6 lm/W,制备出的反转结构器件性能可与传统正置结构比美,说明Al/Li2CO3可以作为反转有机发光二极管优良的电子注入层。     

电极界面缓冲层对P3HT:PC61BM太阳能电池热稳定性的影响

基于溶液法加工制备的聚合物太阳能电池的高温热稳定性是决定器件能否兼容后续高温热封装工艺, 如热压封装、高温原子层沉积(ALD)等的一个关键. 本文分别利用聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和MoO₃作为阳极缓冲层, 以及ZnO和LiF 作为阴极缓冲层, 制备了结构为氧化铟锡(ITO)/阳极缓冲层/3-己基取代聚噻吩:(6, 6)-苯基C₆₁-丁酸甲酯(P3HT:PC₆₁BM)/阴极缓冲层/Al 的太阳能电池, 系统地比较研究了不同界面缓冲材料对器件光电转换性能及稳定性的影响, 特别是在高温煺火条件下器件的性能稳定性差异. 结果表明, 聚合物太阳能电池的热稳定性同器件的结构以及所用的缓冲层材料有密切的相关性. 其中, 利用MoO₃及ZnO分别作为阳极与阴极界面修饰层的P3HT:PC₆₁BM器件在120-150 ℃的温度范围内能够较好地保持器件的光电转换性能. 这一结果为后续需要高温封装工艺的器件提供了有意义的结构优化指导. 此外, 研究结果还表明利用ZnO作为阴极缓冲层能够改善器件的长时间稳定性.     

胺烷基侧链取代三苯胺类红光聚合物的合成及性能研究

通过Suzuki偶合反应合成了一系列胺烷基侧链取代的基于三苯胺和芴的共轭聚合物聚[4-(N,N-二甲基胺丙氧基)苯-4,4′-二苯胺-9,9-二辛基芴-4,7-二噻吩-2-基-2,1,3-苯并噻二唑](PFTD), 并对其化学结构和光电性能进行了表征. 末端胺基的存在提高了此类聚合物作为发光层应用于聚合物电致发光器件的性能(采用高功函数的金属铝作为阴极时). 结构为ITO/PVK/PFTD-5(DBT摩尔分数为5%时的聚合物)/Al的器件最大电致发射峰位于647 nm, 最大外量子效率达到了1.24%.     

一种基于三苯胺类共轭聚合物荧光信号开启的汞离子检测方法

通过Suzuki反应合成出主链中含9,9-二(4-二苯胺基苯基)-3,6-芴的蓝光共轭聚合物—聚[2,7-(9,9-二辛基芴)-co-3,6-(9,9-二三苯胺基芴)] (36PFT).36PFT可特异地与I-相互作用,并淬灭36PFT的荧光.当I-的浓度为0.24 mmol/L时,36PFT的荧光淬灭程度可达95％,...     

基于蓝黄磷光二元互补色的高效聚合物白光器件

研究了基于互补色的高效聚合物白光器件,双色材料包括蓝绿光材料双(4,6-二氟苯基吡啶-N,C2)吡啶甲酰合铱(Firpic)和黄光材料三[3-(2,6-二甲基苯氧基)-6-(2-噻吩基)-哒嗪]铱(Fs-1),器件结构为ITO/PEDOT(40 nm)/PVK:OXD-7:Firpic:Fs-1(80 nm)/Ba(4 nm)/Al(120 nm).当发光层材料PVK∶OXD-7∶Firpic∶Fs-1质量比为63∶27∶10∶0.25时,用溶液加工方法得到高效白光器件,此时CIE色坐标为(0.30,0.39),最大电流效率为10.8 cd.A-1,亮度可达到4200 cd.m-2.在此基础上,引入水溶性电子注入材料聚[9,9-二(3′-N,N-二甲基胺基丙基-2,7-芴-2,7-交-(9,9-二辛基芴)](PFN)修饰阴极界面,使载流子注入和传输更平衡,当阴极为PFN(20 nm)/Al(120 nm)时,电流效率获得显著改善,达到13.1 cd.A-1,此时电流密度为4.9 mA.cm-2,亮度可达到6096 cd.m-2,白光器件的色坐标为(0.33,0.39),同时发光光谱稳定.另外通过电致发光(EL)、光致发光(PL)光谱及能级结构图分析了载流子俘获和能量转移在发光中的作用.     

水/醇溶共轭聚合物界面材料及其在光电器件中的应用

相对于传统的无机半导体器件,以有机半导体(特别是聚合物半导体)材料为基础的有机光电器件,可采用与传统印刷技术(例如喷墨打印、卷对卷印刷等)相结合的溶液加工方式制备低成本、大面积、柔性光电器件,因而成为广泛关注的焦点,并得到了快速发展.实现溶液加工的高效有机光电器件的一个关键问题是界面问题——如何避免溶液加工时有机层间的互溶以及如何实现可印刷稳定金属电极的高效电子注入等.水/醇溶性共轭聚合物的迅速发展为解决溶液加工多层有机光电器件所面临的界面问题提供了有效手段.研究发现,水/醇溶共轭聚合物不但可以有效避免溶液加工多层器件中的界面互溶,而且还可与高功函数的稳定金属发生界面偶极相互作用而增强其电子注入,从而解决了高功函数稳定金属电子注入的难题,为实现全溶液加工的高效印刷有机光电器件提供了可行的方案.本文介绍了近年来本课题组在水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料及器件应用方面的研究进展,并对水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的工作机理进行了探讨.     

给、吸电子基团封端对低聚9,9 -螺双芴光电性质的改进

采用密度泛函理论(DFT)-B3LYP/6-31G(d)方法研究了给、吸电子基团对称和不对称封端对9,9 -螺双芴光电性质的影响. 全优化得到了9,9 -螺双芴封端前后各分子的稳定构型, 分析了各种封端系列的HOMO-LUMO能隙. 结果表明, 以给电子基团噻吩和吸电子基团噁二唑不对称封端作用于9,9 -螺双芴, 能使LUMO能量大幅降低, HOMO能量略有升高, 能隙明显变窄. 不对称封端低聚9,9 -螺双芴分子[T(SBF)_nO, n＝1～4]在相同计算水平下的全优化结果表明吸、给电子基团的电荷比随n的增大而递增, 揭示了给、吸电子基团间存在分子内电荷转移(ICT), 且这种电荷转移在低聚物中得到加强. 计算得到的电离势、电子亲和势、空穴抽取能、电子抽取能和重组能等相关能量, 证明了在主链上形成的载流子传输通道提高了空穴和电子传输的能力. 用TD-DFT和ZINDO方法计算了T(SBF)_nO (n＝1～4)的吸收光谱, 随着n的增大而激发光所需的能量减小, 光谱红移, 吸收强度增大|用CIS/6-31G(d)方法优化得到了不对称封端9,9 -螺双芴S₁激发态构型, 结果表明, 激发态的平面化程度比基态高.     

基于螺(芴-9,9'-氧杂葸)和芴的共聚物蓝光材料的合成与表征

通过控制缩合反应物中溴取代基的位置,得到了3种基于螺(芴-9,9'-氧杂蒽)的单体.利用Suzuki 偶联反应得到3种蓝光聚合物CSSFX,USSFX和DSSFX.聚合物USSFX和DSSFX具有较高的玻璃化转变温度和热分解温度.3种聚合物表现出较低并且相近的最高占有轨道能级(-5.80 eV至-5.93 eV)和最低未占有轨道能级(-2.80 eV至-3.01 eV).螺(芴-9,9'-氧杂蒽)单元的引入可降低聚合物DSSFX的最低未占有轨道能级到-3.01 eV,同时降低聚合物USSFX的最高占有轨道能级到-5.93 eV,聚合物USSFX较低的最高占有轨道能级使其具有较好的空穴注入性能.不同气氛下的高温退火实验表明,聚合物USSFX即使在空气中长时间高温退火以后,仍能保持稳定的蓝光发射.不同拓扑结构螺(芴-9,9'-氧杂蒽)单元的引入,可以有效调节蓝光聚合物的综合发光性能.     

三氟化硼乙醚溶液中卤代芴的电化学聚合

在三氟化硼乙醚(BFEE)溶液中9-溴芴和9,9-二氯芴可以直接阳极氧化制备聚(9-溴芴)和聚(9,9-二氯芴).单体在BFEE中的起始氧化电位远低于在乙腈体系中的起始氧化电位.聚(9-溴芴)和聚(9,9-二氯芴)均可溶于强极性有机溶剂,如二甲基亚砜、四氢呋喃等,并分别表现出良好的蓝色和黄绿色发光性能,其电导率测定为10-1S/cm.红外光谱和核磁共振波谱表明聚合反应主要发生在2,7位.     

芴-含氮芳杂环共聚物的载流子注入特性

为了改善聚芴的载流子注入特性,采用密度泛函理论B3LYP/6-31G*方法计算比较了芴、芴-联吡啶和芴-菲咯啉低聚物的几何结构、电子结构、最低激发能及重组能等,并外推到相应聚合物.结果发现:联吡啶/菲咯啉含氮芳杂环的缺电子性质能够诱导聚芴的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级分别下降0.45/0.47eV和0.32/0.38eV,提高电子注入能力的同时,调控载流子注入平衡;联吡啶单元的引入导致电子和空穴重组能升高(降低聚芴的载流子迁移率),而芴-菲咯啉共聚物显示了与聚芴相似的迁移性能.     

主链含有非共轭结构的聚芴类蓝光聚合物的合成与性能研究

通过Suzuki偶合反应合成出了主链中含有非共轭烷氧基组分(-O-CH2-CH2-CH2-CH2-O-)的聚芴类衍生物聚- 2,7-(9,9-二辛基芴)-co-4,4’-丁氧基二苯(PFP)和聚-2,7-(9,9-二辛基芴)-co-4,4’-丁氧基二苯-co-N-苯基-4,4’-二苯胺(PFTP11)并通过相同的条件合成出主链由芴和三苯胺交替相连的聚合物聚-2,7-(9,9-二辛基芴)-co-N-苯基-4,4’-二苯胺(PFTPA)作为参比材料. 通过1H NMR和FT-IR分析对这些聚合物的化学结构进行了表征. 这三种聚合物在常用的有机溶剂中具有很好的溶解性, 可通过溶液加工的方式制备聚合物薄膜. 这些聚合物均具有较高的热分解温度(＞400 ℃), 聚合物PFP具有较高的玻璃化转变温度(～130 ℃)而PFTP11和PFTPA则未出现明显的玻璃化转变过程. 通过对聚合物的吸收特性进行测试得知它们具有较大的光学带宽(2.89～3.29 eV). 所有聚合物在固体薄膜状态下均发射出蓝色荧光, PFP, PFTP11和PFTPA的最大PL发射分别位于425, 437和440 nm. 通过对其电化学性能进行测试可知由于三苯胺基团的引入聚合物的HOMO能级明显提高, 这意味着聚合物的空穴传输能力得到了有效的改善.     

绿色单峰发光聚(9,9-二烯丙基芴)的合成及其发光机制

为了得到绿色单峰发光的聚合物材料, 我们设计并合成了9位取代的二烯丙基芴单体, 在NiCl₂的催化下, 合成了可溶的聚芴衍生物, 聚(9,9-二烯丙基芴)(PAF). 较短的烯丙基链既可以增加聚芴的溶解度, 双键的存在又有利于聚芴发生分子间聚集而得到绿光发射的有机电致发光器件(OLED). PAF在溶液和薄膜状态下的荧光峰分别位于403和456 nm的蓝光区域, 而其器件ITO/PEDOT:PSS/PAF/LiF/Al(其中, ITO为氧化铟锡, PEDOT为聚(3,4-乙撑二氧噻吩), PSS为聚苯乙烯磺酸盐)的电致发光峰却红移至绿光区域(532 nm), 得到绿色单峰发光. 紫外吸收光谱、荧光发射光谱、红外光谱以及原子力显微镜(AFM)图像的结果证明, 造成PAF电致发绿光的机制为聚合物分子间聚集.     

喷墨打印构建碳纳米管薄膜晶体管及其电性能的研究

本文利用聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(1,4-苯并2,1-3-噻二唑)](PFO-BT)、聚[N,N′-二(2-辛基十二烷基)-异靛蓝-共-(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)](PFIID)、聚[氮-(9-十七烷基)咔唑](PCZ)、聚[N,N′-二(2-辛基十二烷基)-异靛蓝-共-N-[1-(辛基壬基)-咔唑基-2,7-二基](PCZIID),尝试从本实验室用电弧放电法制备的单壁碳纳米管中分离纯化出高纯的半导体碳纳米管,并通过喷墨打印方式在氧化铪基体表面构建碳纳米管薄膜晶体管器件。研究表明这4种聚合物都能从自制单壁碳纳米管中选择性分离半导体碳纳米管,其中分子量和共轭单元更大的PCZ和PCZIID表现出更高的分离效率。通过对基底进行氧等离子体处理和优化打印工艺,得到了性能较好的印刷碳纳米管薄膜晶体管器件,器件的开关比为1.2×10~5~8×10~5,迁移率可达到5.3~6.8cm~2·V~(-1)·s~(-1)。表明自制的单壁碳纳米管可用于构建性能优越的印刷薄膜晶体管器件,还有望应用于高密度集成电路和新型显示所需的驱动电路等。     

9,9′-螺双芴的光电性能

采用密度泛函理论(DFT)-B3LYP/6-31G(d)方法对9,9'-螺双芴低聚物[(SBF)_n(n=1-4)]体系进行全优化,得到各分子的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能量及HOMO-LUMO能隙,结果表明各分子整体表现出很好的共轭性质.并在分子的阳离子和阴离子状态的优化结构基础上,计算得到电离势(IP)、电子亲和势(EA)、空穴抽取能(HEP)、电子抽取能(EEP)和重组能等相关能量.利用单激发组态相瓦作用(CIS)/3-21G方法优化得到9,9'-螺双芴单体的S_1激发态的几何构型.用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算得到了分子吸收光谱和荧光光谱的相关数据.随着聚合长度的增加,能隙变窄,空穴注入和电子转移的能力都相应提高,吸收光所需能量减小,吸收强度(f)增大,光谱红移.采用线性外推法,利用低聚物分子的各种性质与聚合度n之间的关系,得到高聚物的相应性质.为考察9位螺芴化的影响,将(SBF)_n的相关性质与母体芴的低聚物[(FL)_n(n=1-4)]进行比较,由两者的计算结果对比显示,在芴的9位螺芴化可以提高电子和空穴的传输能力,并同时保留芴优良的发光性质.     

9,9’-螺双芴的光电性能

采用密度泛函理论(DFT)-B3LYP/6-31G(d)方法对9,9'-螺双芴低聚物[(SBF)n(n=1-4)]体系进行全优化, 得到各分子的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能量及HOMO-LUMO能隙, 结果表明各分子整体表现出很好的共轭性质. 并在分子的阳离子和阴离子状态的优化结构基础上, 计算得到电离势(IP)、电子亲和势(EA)、空穴抽取能(HEP)、电子抽取能(EEP)和重组能等相关能量. 利用单激发组态相互作用(CIS)/3-21G方法优化得到9,9'-螺双芴单体的S1激发态的几何构型. 用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算得到了分子吸收光谱和荧光光谱的相关数据. 随着聚合长度的增加, 能隙变窄, 空穴注入和电子转移的能力都相应提高, 吸收光所需能量减小, 吸收强度(f)增大, 光谱红移. 采用线性外推法, 利用低聚物分子的各种性质与聚合度n之间的关系, 得到高聚物的相应性质.为考察9位螺芴化的影响, 将(SBF)n的相关性质与母体芴的低聚物[(FL)n(n=1-4)]进行比较, 由两者的计算结果对比显示, 在芴的9位螺芴化可以提高电子和空穴的传输能力, 并同时保留芴优良的发光性质.     

含有萘并噻二唑的红光电致发光聚合物的合成和性能研究

以2,7-二溴-9,9-双(N,N-二甲基丙胺基)芴与4,7-双(5-溴-2-噻吩)-2,1,3-萘并噻二唑为共聚单体, 通过Suzuki偶合反应合成按不同比例共聚的一系列共轭聚合物, 并对它们的电致发光性能进行了研究. 结果表明, 所有的聚合物均在高功函数金属铝作阴极的器件中具有较高的发光效率, 最大电致发光外量子效率为1.3%, 好于目前广泛应用的低功函数金属(如钡, 钙等)作阴极的发光效率.