CN113054126A - 一种多环稠合有机硼半导体材料及oled器件应用 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种含多环稠合发色团有机硼半导体材料及其在有机发光二极管OLED应用,其特征是所述的OLED器件中的发光层含有如下化学结构通式发光材料:

Description

一种多环稠合有机硼半导体材料及OLED器件应用
技术领域:
本发明涉及一种有机半导体化合物及其在有机电致发光器件OLED应用。尤其涉及到新型有机蓝色发光层材料分子设计、合成,改善发光材料的性能,增加蓝色发光材料稳定性,改善其OLED显示器件的寿命。
背景技术:
有机半导体材料属于新型光电材料,其大规模研究起源于1977年由白川英树,A.Heeger 及A.McDiamid共同发现了导电率可达铜水平的掺杂聚乙炔。随后,1987年Kodak公司的C.Tang等发明了有机小分子发光二极管(OLED),和1990年剑桥大学R.Friend及A.Holmes 发明了聚合物发光二极管P-OLED,以及1998年S.Forrest与M.Thomson发明了效率更高的有机磷光发光二极管PHOLED。由于有机半导体材料具有结构易调可获得品种多样,能带可调,甚至如塑料薄膜加工一样的低成本好处,加上有机半导体在导电薄膜,静电复印,光伏太阳能电池应用,有机薄膜晶体管逻辑电路,和有机发光OLED平板显示与照明等众多应用,白川-Heeger-McDiamid三位科学家于2000年获得诺贝尔化学奖。
作为新一代平板显示应用的有机电致发光二极管,有机光电半导体材料要求有:1.高发光效率;2.优良的电子与空穴稳定性;3.合适的发光颜色;4.优良的成膜加工性;5.与液晶显示相比更低的成本。原则上,大部分共轭性有机分子(包含星射体),共轭性聚合物,和含有共轭性发色团配体的有机重金属络合物都有具备电激发光性能,应用在各类发光二极管,如有机小分子发光二极管(OLED),聚合物有机发光二极管(POLED),有机磷光发光二极管(PHOLED),有机热激活延迟荧光TADF OLED。磷光PHOLED兼用了单线激发态(荧光)和三线激发态(磷光)的发光机理,显然比小分子OLED及高分子POLED高得多的发光效率,已经应用在多款现代手机显示屏,但不足之处是需要使用贵重金属,如铱或铂等,使得OLED显示屏手机造价高昂。佳能公司人员最早于2004年(US2006/0051616,美国专利US7749617,国际优先日2004年9月8日)开创使用不含贵重金属的三线态发光材料,通过三线态与单线态系间逆向交换RISC(Reverse inter system crossing)获得热激活延迟荧光TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence),从而能使处于三重态的激子高效发出荧光。因此,类似含有贵重金属的磷光三线态发光材料,不含贵重金属的TADF材料的发光效率是一般荧光OLED材料的3~4倍,内量子效率可达100%。因此,TADF发光材料可望大大降低高效有机发光材料的成本,增加OLED显示板的竞争力。作为有机电致蓝光发光材料,磷光三线态有机金属发光材料虽然比荧光发光材料效率高3倍,但由于寿命问题,致使目前商用AMOLED中不得不使用效率较低但寿命相对更长的荧光蓝光材料。因此,开发更稳定、更高效的电致蓝光发光材料,尤其是高效、低成本而又寿命更长的TADF蓝光发光材料,一直是行业中颇具战略意义的课题。
在一般有机半导体材料中,根据洪特定则,三重态的能量会低于单重态,其能带差(△ Es1-t1)通常是0.5eV或以上,使得处于三重态的电子基本不可能回到单重态发射光波。而在TADF材料中,通过分子设计使得分子轨道中的最高占据轨道(HOMO)和最低未占轨道 (LUMO)极少的重叠,制备出三线态和单线态能级差缩小,甚至只有0.3eV或以下的荧光材料,使电子有可能从三线态逆系跨越到单线态(或称为RISC)而获得类似于磷光发光一样达到100%的电至发光效率。已报道的材料例子是发绿光的2,6-二氰基-1,3,4,5-三咔唑苯。
在OLED器件中电荷的注入是通过在阳极施加正电压后,从阳极注入空穴,阴极施加负电压后注入电子,分别经过电子传输层与空穴转输层,同时进入发射层的本体材料或主体材料中,电子最终进入发光掺杂剂中的最低末占分子轨道(LUMO),空穴进入发光掺杂剂中的最高占有分子轨道(HOMO)而形成激发态发光掺杂剂分子(激子态)。激子态回复到基态后伴随着发射光能,其发射光能波长正对应着发光分子掺杂剂的能隙(HOMO-LUMO能级差)。
在有机半导体蓝色发材料中,T.Hatakeyama报道了半高峰宽窄(28nm)纯蓝色含硼有机发光材料(Adv.Mat.,28,2777-2781(2016.2.11),最近文件US20190058124披露使用含硼有机半导体,获得高效蓝色发光材料,OLED器件发光效率达到甚至超过有机金属铱蓝色发光材料 FIrPic。这类含硼有机发光材料中的B原子与N原子处于相***振特性,不需要使用电子受体-供体结构就可到达分子中HOMO与LUMO很少覆盖,并且具有三线态与单线态能级差小于0.3eV,表现出RISC热延迟荧光TADF发光特性;此外,由于振子强度f处于0.2-0.5较高强度,发射波长处于蓝色并且光谱半高峰宽小到30nm特性。不足之处是这类有机硼发光化合物的稳定性与器件寿命不及传统的芳胺发光材料。为改进这类含硼有机发光材料,文献 EP3757110A披露了分子对称的硼原子与呋喃、噻吩或其与苯稠合发色团构成的对称分子有机硼半导体发光材料,文献USPat 20200395553披露了硼原子与呋喃、噻吩苯稠合发色团构成的非对称分子有机硼半导体发光材料,获得寿命改善的含硼有机发光材料。文件JP2014-
214148披露了使用吲哚并咔唑与蓖连接获得改善蓝光掺杂材料报道。文档(J.-A.Seo,et al, ACS Appl.Mat.Inter.,05.Oct.2017)披露吲哚并咔唑作为吸电性基团,与稠合(fused)芳胺基团结合形成高效深蓝色TADF有机发光材料,最大外量子效率达19.5%。但由于LUMO较高(LUMO=-2.4eV)并且其电子注入电化学循环CV测试表明不可逆,在较大电流或高亮度下EQE效率大幅度降低与寿命缩短等缺陷。
显然,为满足工业生产不断提升的性能提升要求,探索并获得高效、长寿命的有机OLED 显示及照明产品,开发更好、效率更高与易于制造的有机半导体材料势在必行。
发明内容:
本发明针对现有行业技术的发展趋势,根据TADF发光材料激发子弛豫时间一般处于微秒及亚微秒数量级,比一般荧光发光材料(处于纳秒数量级)要更长,试图使用共轭性更发达的多环稠合发色团构成有机硼光电半导体材料,具体是使用吲哚并咔唑及其含氮衍生物构成五个环稠合发色团,与B硼原子构成新型含硼有机发光材料,出乎意料地发现所构成的有机分子半导体具有改善的TADF材料OLED器件发光性能,尤其是应用于有机电致蓝光OLED,获得改善发光性能效、降低OLED器件工作电压和提高OLED器件工作寿命效果。
本发明所属有机半导体发光材料可以应用在有机发光二极管OLED,作为显示屏或照明应用。在OLED发光器件显示与照明应用方面,一个OLED发光器件总体上包括:一个基体材料,如玻璃,金属箔,或聚合物薄膜;一个阳极,如透明导电氧化铟锡;一个阴极,如导电性铝或其它金属;一层或多层有机半导体,例如发光层与阴极之间的电子注入层、发光层与阳极之间的空穴注入层,其中的发光层含有发光掺杂剂与主体材料混合形成发光层。通常是使用1-49%的浓度(重量百分比)发光掺杂剂材料,更常用是1-30%掺杂浓度,掺杂到一个主体材料中。
具体来说本发明披露一种有机发光二极管,其特征是所述的有机发光二极管由如下部分组成:
(a)一个阴极
(b)一个靠近阴极的电子传输层
(c)一个阳极
(d)一个靠近阳极的空穴传输层
(e)一个夹心于电子传输层与空穴传输层之间的有机半导体发光层,该发光层含有一种有机半导体化合物,其化学结构通式为:
Figure BDA0002973541270000031
其中TR环是至少含有1个氮原子的多环发色团,较适合的是含有1-8个氮原子的五个环或大于五个环的稠合发色团;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12 的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、碳原子数为1-12的硅烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、 -SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、 C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1可选为一化学交联基团。
适合本发明的五环稠合有机硼半导体化合物包含但不限于如下五环稠合有机硼化合物:
Figure BDA0002973541270000032
其中的X1-X8为C或N原子;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1-R3是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为 1-12的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、碳原子数为1-12的硅烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、 -OY1、-SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1-R3可选为一化学交联基团。
在本发明范围内,一种情况是通式(I)中氮原子数量为1或2时,通式(II-IV)具体结构可表达为如下结构:
Figure BDA0002973541270000041
其中X为C或N原子,显然,通式(I)中五稠合环中R2或R3取代基可选为芳杂环,也可选为与五稠合环再次稠合的芳杂环,由此而构成超过五稠合环的有机硼发光化合物,并从而拓展发光波长到绿光、黄光、甚至是红光发光化合物,这些拓展一般从五到十个稠合环,同样属于本发明范畴。
通式(I)五稠合环中氮原子数量还可以为3、4、5,或根据拓展稠合环数量达到更多个氮原子,一般不超过10个氮原子,从而衍生出同类不同的分子结构。这些不同的分子结构表现出类似光电性能,但在色标、发光性能及OLED器件寿命稍有差别,但都属于本发明所述应用的材料范畴。
根据本专利范畴,为了更清楚明了,举例说明所述的有机发光二极管中的发光层含有的有机半导体化合物,可以包含许多结构,其中典型具有如下结构如表1所列:
表1:典型的有机半导体化合物
Figure BDA0002973541270000051
Figure BDA0002973541270000061
Figure BDA0002973541270000071
Figure BDA0002973541270000081
Figure BDA0002973541270000091
Figure BDA0002973541270000101
Figure BDA0002973541270000111
Figure BDA0002973541270000121
Figure BDA0002973541270000131
Figure BDA0002973541270000141
Figure BDA0002973541270000151
通式(I)-(IV)所述的有机发光二极管中的发光层有机半导体化合物中的R1、R2、R3 还可选含有一化学交联基团。化学交联基团有许多选择,典型的包含在加热或紫外光照耀下的交联基团,如乙烯基、丙烯酸脂或三氟乙烯基。列如连接在苯环上的如下包含乙烯基(A)、丙烯基(B)、及三氟乙烯基(C):
Figure BDA0002973541270000152
以上基团原则上都可以通过化学键接在本专利发明的化合物,达到所属的效果。
符合本发明所述的有机发光二极管中的发光层含有的有机半导体化合物具有但不仅仅包括如下结构:
表2:可化学交联的发光化合物
Figure BDA0002973541270000161
Figure BDA0002973541270000171
表2中发光化合物一般应用于溶液成膜制备OLED发光器件。发光层中的发光化合物在受热或光照下形成交联网络、不溶不融,有利于固定薄膜结构,尤其有利于再次经历溶液成膜形成多层OLED发光器件。
本发明的有机半导体化合物主要应用于有机发光二极管中作为一发光层化合物材料。发光层中一般含有发光掺杂剂化合物,与一主体材料(Host)或多于一种主体材料混合形成发光层。由于本发明所述的有机半导体化合物具有高发光效率、根据结构的细微差别和发色团的共轭程度,大部分具有蓝色发光波长在440-480nm,和较窄的发射光谱,适合与作为发光掺杂化合物应用。发光掺杂剂化合物以一定比例混合在主体材料中有利于增加发光分子的效率,减少发光掺杂分子之间自我淬灭和不同电场下发光颜色改变,同时也可降低昂贵发光掺杂剂的用量。混合成膜可通过真空共蒸镀成膜,或是通过混合溶于溶液中旋涂、喷涂或溶液打印成膜法。
本发明所述发光层化合物还包括针对上述的发光层混合在有机发光器件(OLED有机发光二极管)的应用。当用作发光层时,为提高发光效率,有必要尽量避免发光分子的聚集,通常是使用小于50%的浓度发光(重量)材料,优选为1%至40%掺杂剂,掺到一个主体材料中。当然,主体材料也可以是多于一种材料的混合主体材料,此时量少者为辅助主体材料。图1为所述OLED器件结构图,发光层为104标号。
根据本专利范围所述的有机发光二极管,本发明所属的有机半导体化合物应用之一是作为发光层发光材料或发光掺杂剂应用,作为TADF发光材料应用。不同于电荷传输材料要求载流子迁移率尽可能大,作为发光材料尽量避免分子间的淬灭有利于提高发光效率,因此本发明所述有机半导体尽量使用适当取代基,如烷基、环脂肪烷基、螺环脂肪烷基等。相对于一般的甲基、乙基、丙基、丁基、叔丁基等取代,环状脂肪烷基或螺环状脂肪烷基取代具有更有效的避免分子间激发子湮灭或淬灭,从而增加发光分子材料的光致发光效率,最终提升OLED器件发光效率;相对于一般的支化烷基取代,相同碳原子数的环状取代具有短而大的空间效果,烷链构象由于闭环而大大减少,有利于提高发光材料发光效率;不像一般的支化烷基取代“过度伸展”带来发光分子发光效率降低或OLED器件驱动电压升高缺点。
本发明的发光器件的发光层中含有本发明的一种发光掺杂剂,与一主体材料通过共蒸发或溶液共涂敷法形成发光层;发光层厚度为15-60纳米,主体材料其三线态能级为2.3-2.9 eV,依据所发光的波长而定。如果是发蓝色光,主体材料的三线态能级应大于2.75eV;如果是发绿色光,主体材料的三线态能级应大于2.40eV;如果是发红色光,主体材料的三线态能级应大于2.15eV。本发明的发光材料应用之一是发光波长为430-480nm的蓝光,作为 TADF发光掺杂剂应用在OLED发光层。
在本发明表1、表2所列的有机发光层化合物其分子含有负电性硼键接的五环稠合芳杂环和供电性芳胺环氮键接构成,它们兼具受电性与供电性双极性本质,大抵是处于发射430 -480nm的蓝光。在不违背本发明范畴,如采用更长的共轭体系,从五环稠合拓展到6、7、 8、9、10等稠合芳杂发色团,本发明的发光材料也可以是发光波长为510-550nm的绿光,或是551-580nm的黄光,甚至是581-630nm的红光。
当发蓝光的发光材料中掺入能量更低的绿光、黄光、红光发光材料时,由于能量递传原理,低能量的材料优先发光,而更高能量的蓝光材料仅仅就只起到主体材料作用,或是发光敏化作用。因此,本发明的有机半导体显然也可以作为发绿光、黄光、及红光OLED发光层主体材料,也就是发光层中含有本发明的有机发光材料作为主体材料,然后掺入波长更长、能量更小的绿光、黄光、红光的其它发光材料获得应用。当在双向电荷注入如此构成的发光层,产生的激发子以能量最低的发光材料发射波长。
在另一种情况下,发光层可以使用常用的主体材料及常用的红光、绿光或蓝光发光掺杂剂,同时在该发光层内也掺入含有本发明所述的有机半导体化合物作为能量传替的敏化材料。这种敏化功能材料半导体能级处于主体材料与发光掺杂剂之间,根据能量传递原则,注入的电子与空穴先后从发光层中主体材料依次传递到敏化材料然后到发光掺杂剂。这种阶梯式的能量传递往往可以提高器件寿命,增加器件效率。
为获得高效的绿光和红光OLED,通常是使用三线态磷光OLED材料或使用三线态发光机制的TADF发光材料。发射层含有磷光发光材料,如Ir(ppy)3为绿光,或Ir(Piq)3作为红光掺杂剂,用2至20%的浓度发光(重量)材料,掺杂到一个主体材料中。文献或商用已开发许许多多的其它三线态红光、绿光甚至是黄光发光材料,同样可以适用于本发明范畴。
Figure BDA0002973541270000181
为获得高效的蓝光OLED,通常是使用三线态磷光OLED材料或使用三线态发光机制的 TADF发光材料。发射层含有磷光发光材料,如改进mFirPic具有较高发光效率,但不足是寿命问题与色标问题。而使用荧光发光材料,如B6虽然效率EQE约10%,但寿命及色标基本能满足目前商用AMOLED要求。文献或商用已开发许许多多的其它蓝色光发光材料,同样可以适用于本发明范畴。
Figure BDA0002973541270000182
在传统的有机发光二极管芯片中,通常是采用透明导电玻璃,或镀有铟-锡氧化物ITO 上蒸镀一层空穴注入层HIL,然后依次一层空穴传输层HTL、发光层EML、电子传输层ETL、电子注入层EIL,最后加一层金属,如铝金属层,作为阳极导电及密封层。(图1)当ITO接正电,铝连接负电到一定电场后,空穴从ITO经HIL注入和HTL传输至EML,而电子从铝连接的EIL注入后、经过ETL传输至EML。电子与空穴在EML中相遇、复合成激发子(Exciton),然后部分激发子以光辐射形式释放出能量回到基态。光辐射的波长由EML层中的发光掺杂剂的能隙决定。文献或商用已开发许许多多的其它简单或更复杂OLED发光器件结构,同样可以适用于本发明范畴。
主体材料常用的是含咔唑或芳胺结构类材料。一种常用的已知绿光主体材料是4,4’-N,N’- 二咔唑-联苯(CBP),蓝光主体材料是BH6:
Figure BDA0002973541270000191
对于TADF蓝色光OLED,要求的电子注入及三线态能级较高,也常使用如下DPEPO或mCBP 材料作为主体材料:
Figure BDA0002973541270000192
为达到优良的发光器件性能,在阳极上,可任选一空穴注入层,如酞青兰(CuPc)或其他含芳氨的化合物(Appl.Phys.Lett.,69,2160(1996),如m-TDATA。
Figure BDA0002973541270000193
同样地,在空穴注入层与发射层EML之间,还可选择一空穴传输层,如使用4,4’-双[N-(1- 萘基)-N-苯氨基]联苯(α-NPD)
Figure BDA0002973541270000194
为平衡电子与空穴的注入,提高发光效率,可任选一电子传输空穴阻挡(ETHB)材料,例子是1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯TPBi,其结构为:
Figure BDA0002973541270000201
在ETL与阴极之间,还通常使用电子注入层。电子注入层通常是功函较低的金属鋰,氟化锂或其化合物如8-羟基喹啉鋰(Liq):
Figure BDA0002973541270000202
文献或商用已开发许许多多的其它空穴注入材料、空穴传输材料、主体材料、电子传输材料、电子注入材料,激子阻挡材料,同样可以适用于本发明范畴。
OLED发光器件是一复杂的多层结构,图1为一典型的构造,但不是唯一的应用结构。其中有机半导体层的总体厚度是50-250纳米,优选总厚度为80-180纳米。本发明化合物原则上可以应用在OLED复杂多层发光器件,例如在发光层与电荷传输层之间使用激子阻挡层,包括电子输送空穴阻挡,空穴传输电子阻挡层,只要满足材料的单线态及三线态大于发光材料的单线态及三线态。
本发明同时披露一种有机半导体化合物,其化学结构通式为:
Figure BDA0002973541270000203
其中TR环是含有1-10个氮原子的五环稠合发色团或多达10环稠合发色团;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12 的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、-SY1,其中Y1及Y2为 C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1可选为一化学交联基团。
根据通式(I)的有机半导体化合物包含但不限于如下结构化合物:
Figure BDA0002973541270000211
其中的X1-X8分别为C或N原子;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12 的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、碳原子数为1-12的硅烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、 -SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、 C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1可选为一化学交联基团。
在本发明范围内,一种情况是通式(I)中氮原子数量为1-2时,通式(II-IV)具体结构可表达为如下结构:
Figure BDA0002973541270000221
其中的X为C或N原子。
显然,通式(I)中五稠合环中氮原子数量还可以为3、4、5个氮原子,衍生出同类不同的分子结构;这些不同的分子结构表现出类似光电性能,但在细微色标、发光性能及OLED器件寿命稍有细微差别,但都属于本发明所述应用的材料范畴。
根据本专利范畴,为了更清楚明了,举例说明所述的有机发光二极管中的发光层含有的有机半导体化合物,如表1所列,可以包含许多结构,其中典型具有如下结构(表1):
Figure BDA0002973541270000222
Figure BDA0002973541270000231
Figure BDA0002973541270000241
Figure BDA0002973541270000251
Figure BDA0002973541270000261
Figure BDA0002973541270000271
Figure BDA0002973541270000281
Figure BDA0002973541270000291
Figure BDA0002973541270000301
Figure BDA0002973541270000311
Figure BDA0002973541270000321
本发明所述有机半导体化合物可以使用多种合成路线制备,其中典型的可按照如下反应路线进行实施获得最终五元芳杂环稠合有机硼化合物8:
Figure BDA0002973541270000331
Scheme 1反应合成一般路线A
其中反应物6可以使用如下但不限于如下合成路线方法获得:
Figure BDA0002973541270000332
Scheme 2含有1个氮原子的五元芳杂环稠合仲胺的合成方法
含有多个氮原子的五元芳杂环稠合仲胺的合成可按如下路线:
Figure BDA0002973541270000341
Scheme 3含有多个氮原子的五元芳杂环稠合仲胺的合成
其中X1-X4为C或N,Ar2为通式(I)所定义的芳杂环,包含但不限于如下仲胺化合物:
Figure BDA0002973541270000342
本发明的有机半导体发光材料总体上属于电负性含硼原子与供电性芳胺有机键合组成,其中负责电子注入的含硼芳杂环主宰LUMO,而负责空穴注入的芳杂胺主宰HOMO。使用五元含N原子稠合发色团与B原子键合,有利与形成稳定发光材料。通过高斯泛函分子计算表明HOMO与LUMO交叠性很少,有利于产生逆向窜系交换(RISC)而产生TADF发光机理,获得同时单线态与三线态发光高效能。逆向窜系交换(RISC)一般是在S1与T1之间发生,近期研究进展表明,S1与Tn(n为2,3,4等)也有可能产生。本发明披露的有机发光层化合物单线态与三线态能级差△E(S1-T1)小于0.4eV,荧光弛豫时间处于微秒及亚微秒水平,不同于荧光弛豫时间处于纳秒(nano-second)水平的荧光,应用于有机发光二极管,可获得内量子效率超过25%局限,获得TADF发光二极管。本发明的有机半导体发光材料兼具低成本和高电荷传输以及良好加工性能的有机半导体材料,应用于制成有机发光二极管获得改善的高效、低电压和工作寿命。尤其对于TADF蓝光材料,寿命的提高及改善是行业内重点进步。
所述的有机发光二极管可作为发光点阵应用于全色OLED显示屏。本发明的有机半导体材料应用于有机发光二极管经过RGB三色的调控后也可以获得白光,而应用于OLED照明。使用OLED平板屏显示,可以应用于手机屏,i-Pack屏,电视屏,电脑屏等,或作为照明发光墙,发光板,发光灯等。
附图说明:
图1有机发光二级管结构示意图;
具体实施方式:
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合实施例子对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1:化合物C-56材料的合成制备
Figure BDA0002973541270000361
1)根据如下化学合成路线制备化合物3,
Figure BDA0002973541270000362
在一250毫升三口烧瓶中加入化合物1(14.4g,44mmol),干燥THF(120ml),醋酸钯(0.52g,2.24mmol),磷配体(2.0g,4.6mmol),环戊烷基溴化锌(272ml,132mmol),氮气鼓泡去除空气后升温到60℃反应16小时。使用碳酸钠水溶液(1M)终止反应。反应溶液通过硅藻土过滤,EtOAC淋洗,有机相使用饱和食盐水洗涤3次,无水硫酸钠干燥后,真空旋干溶剂,硅胶过柱(PE:EtOAC=9:1)后获得油状物3(10.48g,78%%产率)。
2)根据如下反应制备中间体化合物5:
Figure BDA0002973541270000371
在一100毫升三口烧瓶中加入化合物4(3.7g,16.37mmol),化合物3(5.0g,16.37mmol),干燥甲苯(60ml)溶解,醋酸钯(0.037g,0.164mmol),叔丁基钠(3.15g,32.7mmol) 三叔丁基磷配体TTBP(0.13g,0.64mmol),氮气鼓泡去除空气后升温到110℃反应8小时。冷却到室温后,反应溶液通过硅藻土过滤,EtOAC淋洗,有机相使用饱和食盐水洗涤3次,无水硫酸钠干燥后,真空旋干溶剂,硅胶过柱(PE:EtOAC=8:2)后获得油状物5(5.9g,80%%产率)。
3)根据如下反应制备中间体化合物7:
Figure BDA0002973541270000372
在一100毫升三口烧瓶中加入化合物5(5.9g,13.0mmol),化合物6(5.84g,15.0mmol),干燥甲苯(80ml)溶解,醋酸钯(0.037g,0.164mmol),叔丁基钠(3.15g,32.7mmol),三叔丁基磷配体(0.13g,0.64mmol),氮气鼓泡去除空气后升温到110℃反应8小时。冷却到室温后,反应溶液通过硅藻土过滤,EtOAC淋洗,有机相使用饱和食盐水洗涤3次,无水硫酸钠干燥后,真空旋干溶剂,硅胶过柱(PE:DCM=8:2)后获得白色固体7(7.55g,63%%产率)。
4)根据如下反应制备中间体化合物C-56:
Figure BDA0002973541270000381
在一100毫升三口烧瓶中加入化合物7(7.23g,9mmol),干燥叔丁基苯(70ml),氮气鼓泡去除空气后冷冻降温到-30℃,叔丁基鋰(9.6mmol,5.65mlx1.7M)正己烷溶液滴加,滴加完毕之后升温到60℃搅拌2小时。减压蒸去低沸溶剂正己烷。反应液再降温到 -30℃,三溴化硼(2.74g,10.92mmol)加入,注意到温度升到室温,搅拌0.5小时。把反应液再次降温到0℃,加入二异丙基乙胺(2.35g,18.22mmol),之后在室温下搅拌1 小时,再升温到120℃搅拌3小时。反应结束后降温到室温,在冰水浴中滴加醋酸钠水溶液淬灭反应,加入正己烷进一步分相。有机相通过硅胶短柱,使用正己烷淋洗。有机相减压蒸干后溶于最少量甲苯中,加入正己烷沉淀。获得产物淡黄色固体C-56(2.45g,产率 40%)。C55H49BN4分子式计算分子量为776.82,质谱检测M/z=776.42,光致发光波长为蓝光PL=455nm,半高峰宽FWMH为30nm。
实施例2:其它化合物材料的合成制备
类似地,根据以上合成化学路线以及实施例1类似步骤,在不违背本发明范畴下,合成了如下各有机半导体发光材料化合物,具体所列出的化合物通过质谱验证了分子量及分子所具有的碎片,具体见下表3:
表3:化合物合成及表征
Figure BDA0002973541270000382
Figure BDA0002973541270000391
Figure BDA0002973541270000401
Figure BDA0002973541270000411
Figure BDA0002973541270000421
实施例3:可交联化合物材料的合成制备
根据一般合成通用路线,仿照通用合成路线以及实施例1具体操作步骤,合成如下可交联化合物材料,采用MALDI-TOF质谱分析检测分子量及碎片表征,列于表4:
表3:可交联化合物合成及表征
Figure BDA0002973541270000422
Figure BDA0002973541270000431
实施例4:蒸镀OLED器件应用实例-本发明化合物作为发光掺杂剂材料:
蒸镀OLED器件制程:在一个本底真空达10-5帕的多源蒸发OLED制备设备中,采用如下的器件结构:阳极
Figure BDA0002973541270000432
发光掺杂剂
Figure BDA0002973541270000434
Figure BDA0002973541270000433
阴极评估各材料应用于OLED器件性能。具体OLED器件结构为
Figure BDA0002973541270000435
dopant
Figure BDA0002973541270000436
Figure BDA0002973541270000437
改变使用本发明的不同的发光掺杂材料与对比已知Ref1、Ref2、Ref3、B6发光材料。
表4:采纳的对比材料结构
Figure BDA0002973541270000441
表5:所获得的OLED器件性能(室温@1000nits):
Figure BDA0002973541270000442
对比器件A为检测参考,在1000尼特下,驱动电压为4.2V,外量子效率EQE为8.5%,EL发射光谱CIE(x,y)为(0.13,0.11),寿命在1000尼特下为LT95%=130小时。
从上表6对比A(有机硼发光化合物)、B(有机硼发光化合物)、C(芳胺发光化合物)、D(笓芳胺发光化合物)蓝色OLED器件可看出,本发明材料作为发光材料应用于蓝光OLED器件,具有减低工作电压效果、增加器件发光工作寿命10~26%。
综上,说明本发明采用五环稠合有机硼发光材料具有明显增加器件发光性能(EQE)、降低工作电压和延长寿命LT95%效果。
实施例7:蒸镀OLED器件应用实例-本发明化合物作为发光层敏化掺杂剂应用:
具体OLED器件结构为
Figure BDA0002973541270000451
dopant:敏化剂(本发明化合物)
Figure BDA0002973541270000452
表6:本发明化合物作为发光层敏化掺杂剂应用OLED性能@1000尼特
Figure BDA0002973541270000453
上表说明,本发明材料,如C-5和C-16,可以作为“敏化”掺杂剂,利用DPEPO材料作为主体,掺杂高发光效率的荧光染料B6,本文所披露的TADF材料中的单线态激子通过高效的Forster传递将能量传给发光掺杂材料,并由后者发光,从而可获得EQE发光效率性能提升的OLED。
实施例8:可交联的发光材料在溶液镀膜OLED器件应用:在一导电玻璃ITO表面,经过溶剂、等离子体清洗后,溶液旋涂PEDOT导电聚合物作为空穴注入层HIL,使用聚(三苯胺-9.9-二庚烷芴)溶液旋涂膜作为空穴传输层HTL,然后使用10%的本发明所述可交联的发光材料与主体材料溶液旋涂成发光层(主体材料95%:发光掺杂剂5%)。经过氮气下加热到160℃处理30分钟,使其薄膜交联成为不熔不溶发光层EML;最后在一个本底真空达10-5帕的多源蒸发OLED制备设备中,类似于实施例4蒸镀BL层,电子传输层ETL和电子注入层EIL,制备OLED器件。对比实验为溶液旋涂发光层之后未曾实施在氮气下加热到160℃处理30分钟,其它各步骤完全相同。OLED器件结果表明,两者起始OLED性能类似,经过热交联的OLED器件寿命增加20%。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟 悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的技术内容 对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡 是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、 等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种有机发光二极管,由如下部分组成:
(a)一个阴极
(b)一个靠近阴极的电子传输层
(c)一个阳极
(d)一个靠近阳极的空穴传输层
(e)一个夹心于电子传输层与空穴传输层之间的发光层,该发光层含有一种有机半导体化合物,其化学结构通式为:
Figure FDA0002973541260000011
其中TR环是含有氮原子的五个环或以上的稠合发色团;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、碳原子数为1-12的硅烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、-SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1可选为一化学交联基团。
2.根据权利要求1所述的有机发光二极管,其特征是所述的发光二极管中的发光层有机半导体化合物包含如下结构化合物:
Figure FDA0002973541260000012
Figure FDA0002973541260000021
其中的X1-X8为C或N原子;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1-R3是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、碳原子数为1-12的硅烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、-SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1-R3可选为一化学交联基团。
3.根据权利要求1所述的有机发光二极管,其特征是所述的发光二极管中的发光层有机半导体化合物包含如下结构化合物:
Figure FDA0002973541260000022
其中的X为C或N原子;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1-R3是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、碳原子数为1-12的硅烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、-SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1-R3可选为一化学交联基团。
4.根据权利要求1、2、3所述的有机发光二极管,其特征是所述的发光二极管中的发光层有机半导体化合物具有如下结构:
Figure FDA0002973541260000031
Figure FDA0002973541260000041
Figure FDA0002973541260000051
Figure FDA0002973541260000061
Figure FDA0002973541260000071
Figure FDA0002973541260000081
Figure FDA0002973541260000091
Figure FDA0002973541260000101
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Figure FDA0002973541260000131
5.根据权利要求1、2、3所述的有机发光二极管,其特征是所述的发光二极管中的发光层有机半导体化合物中R1、R2、R3含有一个或多个可交联基团,可交联基团选自乙烯基、丙烯酸脂或三氟乙烯基。
6.根据权利要求5所述的有机发光二极管,其特征是所述的发光二极管中的发光层有机半导体化合物是如下可交联化合物:
Figure FDA0002973541260000141
Figure FDA0002973541260000151
7.根据权利要求1~6所述的有机发光二极管,其特征是所述发光二极管中的有机半导体化合物为发光层中的发光掺杂剂,所占发光层比例为1-49%重量分数。
8.根据权利要求1~6所述的有机发光二极管,其特征是所述有机发光二极管中的有机半导体化合物为发光层中的能量传递的敏化材料,所占发光层比例为5-49%重量分数。
9.一种有机半导体化合物,其化学结构通式为权利要求1-5所述结构,:
Figure FDA0002973541260000152
其中TR环是含有1-5个氮原子的五个环或以上稠合发色团;
Ar、Ar1和Ar2是六元苯环、六元芳杂环、五元芳杂环、碳原子不超过18的五元或六元稠合芳杂环、以上各类环的R1取代物;
R1是满足苯环或芳杂环价键数量的一个或多个取代,可选取代为H、D、F、碳原子数为1-12的烷基、碳原子数为1-12的烷氧基、碳原子数为1-12的环烷基、碳原子数为1-12的含氟烷基、碳原子数为1-12的含氘烷基、苯基、取代苯基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、吡啶基、取代吡啶基、奈基、取代奈基、蒽基、取代蒽基、芴基、咔唑基、取代咔唑基、稠合芳杂基、取代稠合芳杂基、-N(Y1Y2)、-OY1、-SY1,其中Y1及Y2为C1-C12烷基取代、C6-C16的芳基取代、C5-C16的芳杂基取代、C7-C16的稠合芳杂基取代;
R1可选为一化学交联基团。
10.根据权利要求9所述的有机半导体化合物,其特征是该有机半导体化合物具有权利要求1-6所述的结构,以及所述结构的合成制备方法。
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