面向白光照明用氮杂芳环类有机发光材料的化学稳定性和本征衰变机制

White organic light-emitting diodes (WOLEDs) have drawn tremendous research interest because of their unique features and potential applications in solid-state lighting. Although the efficiency of WOLEDs has been boosted significantly during the past decades, the device lifetime is still a challenge. It has been recognized that the operational degradation of OLEDs is enslaved to the intrinsic chemical degradation behaviors of used materials. However, up to now, the degradation mechanisms of only few organic materials applied in OLEDs are known. In this project, we focus on the chemical stability and intrinsic degradation mechanism of N-containing heteroaromatic light-emitting materials, which have demonstrated strong potential for application in WOLEDs due to high charge-mobility and high-efficiency. The first is to systematically study the chemical stability of series of N-containing heteroaromatic compounds employing many advanced techniques such as CV, LDI-TOF-MS , XPS and ESI, etc. The second is to investigate the intrinsic degradation mechanism of these compounds with the aid of quantum chemistry calculations. The end is to explore the relationship between the molecular structure and chemical stability, and then design novel materials with both high efficiency and chemical stability, which are highly desirable for long-lived WOLEDs

作为新型固态平面光源，白光OLED要用于照明，必须实现高亮度下的高效率和长寿命。而目前器件在高亮度下寿命都不够，亟待突破。研究发现，材料化学稳定性和衰变行为是导致器件效率下降和寿命不长的本质原因。目前有机发光材料研究通常仅强调高效率，而忽视化学稳定性。本项目面向有机白光照明需求，选择目前重要的一类高效率有机发光材料氮杂芳环类为研究对象，重点研究系列材料化学稳定性和衰变机制。一则采用多种分析手段如激光解离吸附飞行时间质谱（LDI-TOF-MS）、X射线光电子能谱（XPS）等，从三个层次分别研究材料本身、薄膜状态以及相关器件的化学稳定性和衰变行为；二则借助量化计算，揭示材料在光/电作用下的化学衰变机制；最后，研究材料分子结构与化学稳定性之间的关系，以期提出高效且稳定的有机发光材料分子设计策略。项目成果一方面为新型高效稳定光电材料的理性设计提供参考，另一方面可加速高效光电材料从实验室走向应用。

蓝光OLED器件的短寿命是目前有机电致发光器件研究领域的瓶颈问题。针对白光照明的需要，本项目在有机蓝光材料的化学稳定性研究和理性设计策略、新型稳定且高效的电子传输材料的设计合成方面取得了较大进展，同时还将稳定性研究的方法和思路拓展应用于其他光电材料如有机/无机复合钙钛矿材料的稳定性研究中。三年来，发表标注SCI收录论文3篇，其中影响影子大于4的论文3篇，申请中国发明专利3项。主要的创新性研究成果如下：.（1）采用实验与理论计算相结合的方法，我们系统研究了包含如二苯砜、二苯并噻吩砜、膦氧和羰基等热点的吸电子基团的有机蓝光材料在光照和电场下的化学稳定性。研究发现：具有宽带隙、高激发态能量的有机蓝光材料在激发态和自由基离子状态下的分子稳定性是影响器件寿命的关键因素，我们发现分子中弱的化学键的键能与激发态的能量大小关系决定了分子在激发态或得失电子后的分子稳定性。此外结果表明，采用量子化学理论计算激发态能量和键能来遴选官能团和结构，将有助于实现高稳定性有机发光材料的理性设计。.（2）基于上述分子稳定性研究的成果，我们提出以分子稳定性高的混配金属铝络合物BAlq为母体，通过在辅助配体中引入强吸电子的吡啶基团，设计合成了两种新型的高效稳定的电子传输材料BPyAlq和TPyAlq，并申请了中国发明专利。.（3）将上述稳定性研究的方法应用于制备稳定且高效的钙钛矿太阳电池，使用溶剂处理制备的钙钛矿薄膜形貌可控，稳定性良好，且相应太阳电池的效率和寿命均得到提高。