N-杂共轭离子盐类自掺杂电子传输层的设计及在电致发光器件中的应用

Self-doped electron transporting layer (ETL) is crucial to lower the electron injection barrier between the cathode and the emitting layer of the organic light-emitting diodes (OLED), and promoting the electron-transporting property of the ETL simultaneously. Typically self-doping strategy incorporating π-deficient backbones and electron-donating groups feature anion-induced electron transfer, while such cases are restricted in adapt to the OLED. In this project, density functional theory simulations and experiments are conducted to screen the suitable π-conjugated nitrogen-embedded ion salts with “base-response” features and low “isomerization energies”. In view of the lewis basicity, species and dimension of the counter-ions, the anions can be optimized. Multichannel strategies involving substituent effect, conjugative effect, tautomerism, and inductive effect are incorporated to regulate the self-doping properties of the ETLs. Meanwhile, the polar functional groups of the ion salts can produce large interfacial dipoles that induce a vacuum-level shift, and thus modify the work function of the electrode synergistically. Based on the aforementioned characteristics, π-conjugated ion salts with self-doping property and water/alcohol soluble nature will simplify the device structures and promoting the performances and stabilities of the all-solution-processed OLEDs.

自掺杂电子传输层（ETL）能够有效降低有机电致发光器件（OLED）中阴极与发光层之间的电子注入势垒并同时提升其电子传输效率。现有的自掺杂ETL一般采用缺电子的大π-共轭杂环和与之相匹配的给体单元通过弱的分子内/间电荷转移来实现，但这不适合也不满足高性能OLED对ETL的要求。本项目旨在通过理论计算和实验验证筛选具有“碱响应”和低“异构化能”的N-杂共轭离子盐骨架，通过优化抗衡阴离子的路易斯碱性、种类和有效离子半径，利用取代基效应、共轭效应、互变异构、阴离子诱导等多渠道策略来实现并调控材料的自掺杂属性。结合离子盐的界面诱导偶极作用协同提升材料的界面修饰能力，以期开发具有电子传输和界面修饰双功能的醇/水溶性自掺杂型ETL来简化器件结构、提升器件效率和稳定性，并将其应用于成本低廉、可控性较好的全溶液加工型OLED当中。

具有自掺杂特性的醇/水溶性阴极界面层（CIL）兼具电子注入/传输功能不仅能够简化全溶液加工型有机电致发光器件（OLED）的结构，还是提高器件性能以及稳定性的关键。本项目旨在通过理论计算和相关实验验证设计筛选出具有自掺杂特性的N-杂共轭离子盐，结合抗衡阴离子的路易斯碱性、有效离子半径，溶解性等参数，通过合理的调控阴离子与共轭阳离子盐骨架之间的相互作用调控其自掺杂特性。基于此，本项目设计开发了蒽核吡啶/嘧啶盐、支化吡啶盐类、聚吡啶鎓盐类、氮杂非那烯双自由基离子盐、邻菲罗啉离子盐、苯并噻二唑离子盐等多个具有自掺杂特性的含氮共轭离子盐体系。其中基于D4PMPy-Cl为CIL，Supper Yellow为发光层的全溶液加工型OLED获得了最大电流效率ηc,max > 20 cd/A, 最大功率效率ηp,max >17 lm/W，最大外量子效率ηext,max > 6.8%，为当时文献所报道同类型器件的最优值。自掺杂离子盐TPyPy-Cl实现了高达5.6 × 10-3 cm2 V-1 s-1的电子迁移率，为溶液旋涂型电子传输材料的最高值之一。双自由基型DAP-tBu-Cl表现出非常强的界面修饰能力，可以将金属Al的功函数降至-2.89 eV，为相关文献报道的最佳值。此外，想研究通过调控抗衡阴离子类型和含氮离子盐受体类型，深入探究了两种不同的自掺杂实现方式，即阴离子诱导的电荷转移机制和阴离子诱导的质子转移机制为后续设计高性能自掺杂有机半导体材料提供了重要的参考依据。