具有聚集诱导发光性能的热活性延迟荧光材料的发光机制研究及其设计合成

Compared with traditional fluorescent materials, the thermally activated delayed fluorescence materials (TADF) with aggression-induced emission (AIE) property can realize the utilization of all singlet and triplet excitons, and improve the efficiency roll-off in a great degree. However, the luminescence mechanism of TADF+AIE material is unclear, which seriously effects the design and synthesis of novel material. To resolve the problem, the project investigated the reported TADF+AIE molecules using density functional theory method, trying to construct a reliable theory model to explain the relationship between molecular configuration, excited-state property and luminescence efficiency. These results will provide theoretical and scientific basis for designing and synthesizing novel TADF+AIE materials. According to the obtained luminescence mechanism, to design novel TADF+AIE materials by introducing heavy atoms, heteroatoms (N, P and O), and organic aromatic groups. The project focuses on utilizing DFT results to guide the efficient experimental synthesis. By systematical calculations, we intend to construct design mechanism and synthesis route of novel TADF+AIE materials and activate the development of OLED materials.

相比于传统荧光材料，具有聚集诱导发光（AIE）性能的热活性延迟荧光（TADF）材料可实现所有激子最大化利用，有效抑制器件效率滚降难题。然而，由于TADF+AIE材料的发光机制尚不明确，成为新材料设计与合成的瓶颈问题。基于此，本项目提出以现有实验分子为研究对象，采用密度泛函理论(DFT)与大数据分析方法构建优化理论模型，并从多角度研究分子构型、激发态性质与发光效率之间关系。为精准设计与合成新型TADF+AIE材料提供理论依据。依据TADF+AIE材料发光新机制，通过引入重原子、含孤对电子的杂原子，以及有机芳香族醛类官能团等方式设计新型材料。将TADF+AIE材料发光机制原理与DFT计算结果有机结合，并用于精准指导高效实验合成是本项目的特色与创新之处。通过研究，建立TADF+AIE新型发光材料精准设计的新机制与合成制备的新工艺，不断发展OLED材料研究领域的新内涵。

有机发光二极管（OLEDs）材料由于在平面显示和日常照明方面具有广泛的应用，因而受到了研究者的关注。相比于传统荧光材料，具有聚集诱导发光（AIE）性能的热活性延迟荧光（TADF）材料可实现所有激子最大化利用，有效抑制器件效率滚降难题。已经变成了一个极具吸引力的研究热点。本项目按照项目书计划内容，计算了两组含有咔唑和四氧化噻蒽的三苯乙烯/四苯乙烯（TPE）衍生物，对该聚集诱导发光（AIE）明星基团与热活化延迟荧光（TADF）功能基团的协同作用进行了理论研究。结果表明AIE现象主要来源于聚集环境下TPE基团中苯环的低频运动受限，说明TPE作为AIE功能基团发挥了其作用。进一步，研究了固态红光发射的蒽-邻碳硼烷衍生物ANT-H，ANT-Ph，ANT-Me和ANT-TMS热至变色现象的原因。结果表明其AIE现象主要来自于晶体环境中的能量耗散因激发态到基态的结构弛豫受阻而大大减小。其次，基于实验上报道的TADF分子结构，我们研究了通过在咔唑外围引入叔丁基或者苯环提高TADF器件稳定性的本质原因，并且提出了通过计算具体的HOMO-LUMO重叠数值判断设计的分子是否具有TADF性质。最后，以叔丁基取代的咔唑为给体，结合不同的受体单元，给体和受体单元之间以邻位，间位和对位的方式进行连接设计了一系列分子。通过对这些分子的HOMO-LUMO轨道重叠分布数值的计算，我们指出了具有潜在TADF性质的分子结构。在本项目的支持下，共发表SCI论文11篇，其中包括第一作者发表2篇，通讯作者发表2篇，与实验合作发表7篇。培养优秀硕士1名和博士2名，设计高性能有机染料8个，基本完成项目申请书中的预期成果。因此，本项目的执行过程中不但清晰了TADF+AIE新型材料的发光机制，还对影响其发光效率的多种参数进行了计算与综合考察，为有机发光二极管的发展与改善提供了很好的理论支持。