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文檔簡介
1、1. 引言有機硼化學(xué)位移在發(fā)光材料上去的巨大進展,是因為強發(fā)光性和高的載流子遷移率。硼橋分子的結(jié)構(gòu)是共軛,而且易修飾,設(shè)計出一些不錯的分子,并廣泛應(yīng)用在有機光電方面,如有機發(fā)光二極管1-2、有機場效應(yīng)晶體管3-5、光敏材料6-12、成像材料13、傳感器14-19。有機硼分子中,螯合配體的富電子與硼部分的空p軌道結(jié)合,形成電子離域和剛性共軛結(jié)構(gòu),這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)不僅含有共軛結(jié)構(gòu)加強光發(fā)射,而且通過降低最低電子未占據(jù)軌道LUMO能級,從而改變電子態(tài),增加電子親和性。配體類型和取代基性質(zhì)會影響到螯合物間*的電子轉(zhuǎn)移和激發(fā)過程時取代基到螯合基團的電子轉(zhuǎn)移,對配體和硼中心的光物理和電學(xué)性質(zhì)都有很大影響。在過
2、去十年里,研究了許多硼配合物,如8-羥基喹啉化合物和2-吡啶苯化合物及其衍生物,它們的熒光效率高且范圍寬,從深藍色到近紅色。有些有機硼化合物已經(jīng)很好的作為有機光電材料的發(fā)光材料和電子轉(zhuǎn)移材料。在這篇綜述中,我們主要介紹可用于有機光電材料的有機硼分子設(shè)計和性能研究,根據(jù)配體的不同將硼配合物分成幾部分進行綜述,并對該領(lǐng)域的發(fā)展前景進行了展望。本文給出有機硼化學(xué)物分子設(shè)計和有機光電材料應(yīng)用的最基本觀點,有機硼的分子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)有待于進一步研究。2. 有機光電器件有機光電學(xué)領(lǐng)域主要涉及有機材料的電子結(jié)構(gòu)、能量傳遞、電子轉(zhuǎn)化、光電轉(zhuǎn)化機理及相關(guān)器件的制備,是化學(xué)、材料和電子學(xué)科的高度交叉的研究方向6-
3、7。目前,人們基于有機光電學(xué)原理制備了多種光電器件,其中有機半導(dǎo)體在有機發(fā)光二極管(organic light-emitting diodes, OLEDs)、有機場效應(yīng)晶體管(organic field-effect transistors, OFET)、有機太陽能電池(organic solar cells,OSCs)等均展現(xiàn)了誘人的應(yīng)用前景(如圖1)。圖1.有機光電器件及應(yīng)用:(a,b)有機發(fā)光二極管(c,d)有機場效應(yīng)晶體管(e,f)有機太陽能電池Fig.1 Applications of organic optoelectronic devices: (a,b)OLED(c,d)OF
4、ET(e,f)OPVC1.1 有機場效應(yīng)晶體管(OFETs)自上1986年Tsumura, A.等人首次報導(dǎo)聚噻吩具有場效應(yīng)性能以來8,OFET 相關(guān)的功能材料開發(fā)、器件制備工藝優(yōu)化和多功能應(yīng)用研究引起了國際知名科研院所的廣泛關(guān)注。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,OFET 的性能指標(biāo)有了很大的突破,初步滿足了在電子紙、傳感器、射頻標(biāo)簽、有源平板顯示器的驅(qū)動等領(lǐng)域的應(yīng)用需求9-21,相關(guān)研究逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的前沿與熱點方向,具有光明的前景22-23。有機場效應(yīng)晶體管是以有機化合物為半導(dǎo)體材料,通過電場來控制材料導(dǎo)電能力的有源器件。OFET的基本結(jié)構(gòu)主要包括有機半導(dǎo)體層(organic semicon
5、ductor)、介電層(dielectric layer)、柵極(gate electrode)、源極(source electrode)、漏極(drain electrode)。源、漏電極通常是高功函數(shù)的金屬(Au、Pd、Pt 或Ag)、導(dǎo)電聚合物(PEDOT:PSS、PANI 等)和電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合(TTF、TCNQ、Ag-TCNQ )等;柵極通常是金屬或?qū)щ娋酆衔?;介電層通常是二氧化硅、氮化硅等無機物,越來越多有機聚合物介電層如PMMA、PVP等被報道。一般來說,OFET中的載流子主要有空穴和電子。由于有機半導(dǎo)體材料并不是決定器件導(dǎo)電溝道中主要載流子的唯一因素,器件的結(jié)構(gòu)、電極性質(zhì)和介電層界
6、面性質(zhì)等均會影響器件導(dǎo)電溝道中載流子的種類及其輸運特性。根據(jù)導(dǎo)電溝道中傳輸載流子類型的不同,將OFET分為三類:p型OFET,n型OFET和雙極性O(shè)FET。OFET 一般采用兩種方式表征:恒定柵壓時掃描源漏電壓和恒定源漏電壓掃描柵壓,分別得到OFET 器件的輸出曲線和轉(zhuǎn)移曲線。通過輸出曲線和轉(zhuǎn)移曲線,我們可以得到遷移率、開關(guān)比、閾值電壓和亞閾值斜率等,從而評價器件性能。對于傳感器件的測試,可以選擇I-Time曲線,實時監(jiān)測外界條件變化時,電流的變化情況,進而對感應(yīng)的靈敏性有個判斷。1.2有機發(fā)光二極管(OLED)有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode,OLED
7、),1963年由美籍華裔教授鄧青云在實驗室中首次發(fā)現(xiàn),由此展開了對OLED的研究24。1987年,鄧青云教授和Van Slyke 采用了超薄膜技術(shù),用透明導(dǎo)電膜作陽極,Al2O3作發(fā)光層,三芳胺作空穴傳輸層,Mg/Ag 合金作陰極,制成了雙層有機電致發(fā)光器件25。OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光的特性,采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板,當(dāng)有電流通過時,這些有機材料就會發(fā)光,而且OLED顯示屏幕可視角度大,并且能夠節(jié)省電能26-32。OLED的基本結(jié)構(gòu)是由一薄而透明具半導(dǎo)體特性之銦錫氧化物(ITO),與電力之正極相連,再加上另一個金屬陰極,包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)層中包括了:空穴傳輸層(HTL)
8、、發(fā)光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。有機發(fā)光二極體的發(fā)光原理是當(dāng)元件受到直流電所衍生的順向偏壓時,外加之電壓能量將驅(qū)動電子與空穴分別由陰極與陽極注入元件,當(dāng)兩者在傳導(dǎo)中相遇、結(jié)合,即形成所謂的電子-空穴復(fù)合。而當(dāng)化學(xué)分子受到外來能量激發(fā)后,若電子自旋和基態(tài)電子成對,則為單重態(tài),其所釋放的光為所謂的熒光;反之,若激發(fā)態(tài)電子和基態(tài)電子自旋不成對且平行,則稱為三重態(tài),其所釋放的光為所謂的磷光。當(dāng)電子的狀態(tài)位置由激態(tài)高能階回到穩(wěn)態(tài)低能階時,其能量將分別以光子或熱能的方式放出,其中光子的部分可被利用當(dāng)做顯示功能,依其配方不同產(chǎn)生紅、綠和藍RGB三原色,構(gòu)成基本色彩。在陽極材料的選擇上,材料本身必需是
9、具有高功函與可透光性,所以具有的高功函數(shù)、性質(zhì)穩(wěn)定且透光的ITO透明導(dǎo)電膜,便被廣泛應(yīng)用于陽極。在陰極部分,為了增加元件的發(fā)光效率,電子與電洞的注入通常需要低功函數(shù)金屬。有機發(fā)光二極體的電子傳輸層和空穴傳輸層必須選用不同的有機材料。目前最常被用來制作電子傳輸層的材料必須制膜安定性高、熱穩(wěn)定且電子傳輸性佳,一般通常采用螢光染料化合物,而空穴傳輸層的材料屬于一種芳香胺螢光化合物。OLED的特性是自己發(fā)光,因此可視度和亮度均高,其次是電壓需求低且省電效率高,加上反應(yīng)快、重量輕、厚度薄,構(gòu)造簡單,成本低等,被視為 21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)品之一。OLED具有廣闊的應(yīng)用前景,主要領(lǐng)域包括:商業(yè)領(lǐng)域如POS機
10、和ATM機,復(fù)印機,游戲機等;通訊領(lǐng)域如手機,移動網(wǎng)絡(luò)終端等;計算機領(lǐng)域如PDA, 商用和家用計算機等;消費類電子產(chǎn)品如音響設(shè)備,數(shù)碼相機,便攜式DVD;工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域如儀器儀表等;和交通領(lǐng)域如GPS,飛機儀表等。1.3有機太陽能電池(OPVC)有機太陽能電池,就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。主要是以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導(dǎo)體的材料,以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流,實現(xiàn)太陽能發(fā)電的效果。主要的光敏性質(zhì)的有機材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性,如酞菁化合物、卟啉、菁(cyanine)等。有機太陽能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、P-N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。2. 有機光電材
11、料中的硼化合物有機硼化合物有好的化學(xué)和理論穩(wěn)定性,高的熒光效率和載流子遷移率,合成出很多不同配體的硼化合物,有機硼化合物的光電性質(zhì)受配體性質(zhì)的影響很大。根據(jù)螯合配體的不同,我們將應(yīng)用于有機光電材料的有機硼化合物分為四個部分:羥基喹啉硼衍生物、吡咯苯硼衍生物、氮雜環(huán)酚鹽硼衍生物、氮雜環(huán)-氮雜環(huán)硼衍生物。1.1 吡啶苯硼化合物及其衍生物不用于8-羥基喹啉硼化合物,吡啶苯硼化學(xué)物共軛性降低,會帶來藍移。苯酚基吡啶鈹可以有效地發(fā)藍光并用于有機光電器件的主體材料,但是鈹?shù)亩拘韵拗屏诉@一特性的應(yīng)用,因為在元素周期表中硼和鈹相鄰,原子半徑和配位能力基本一致,所以猜想吡啶苯硼化合物可以穩(wěn)定和有效地發(fā)藍光。Wa
12、ng等合成的1,6-二(2-羥苯基)吡啶硼化合物是三齒配體,硼部分包括BR(OH)2 (R = 芳香基)和BR3 (R = F, OCH3, OC2H5),配位時形成OB, NB和OB鍵,硼是四配位而且是典型的四面體構(gòu)型,配位后導(dǎo)致兩個六元環(huán)扭曲,以及其他取代基也存在一定扭曲。將F連接在B上合成的BF(dppy)在445 nm處有很強的藍光發(fā)射。分子內(nèi)-相互作用,導(dǎo)致芳香集團柱狀堆疊,有利于電荷的流動,如果發(fā)光器件用BF(dppy)發(fā)光,并用TPD作為空穴傳輸層,電致發(fā)光峰為550 nm,如用PVK作為空穴傳輸層,電致發(fā)光峰為450 nm33-34,說明有機固體界面可能會決定有機光電器件的性質(zhì)
13、(圖2 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1)。Li等制備了1,6-二(2-羥苯基)吡啶硼化合物B(OCH3)和B(OC2H5),并用作電致發(fā)光器件中的發(fā)光材料,光電性質(zhì)和BF(dppy)相近35。Zhang等設(shè)計合成2,5-二(2-吡啶)-1,4-對苯二酚類化合物,得到剛性很好的硼中心苯基化合物,具有靈活性的乙基支鏈,熱穩(wěn)定性好。不同于1,6-二(2-羥苯基)吡啶硼化合物,硼上連接大體積的苯集團阻止了聚合時的堆積,從而避免熒光淬滅。固體狀態(tài)下最大的光發(fā)射范圍是562-587 nm。大的體系帶來大的電子親和能,從而降低LUMO的能級。第一次制備出橙色發(fā)光硼材料,而且有很高的電子遷移能力,光性能達9100 cd/m2以
14、上36(圖2 化學(xué)結(jié)構(gòu)式2-3)。2-(2-吡咯)苯基硼化合物也可以是三個環(huán)的結(jié)構(gòu),不同于之前的五個環(huán)的結(jié)構(gòu),具有高的空穴發(fā)光效率和低的電子發(fā)光效率(圖2 化學(xué)結(jié)構(gòu)式4)37。圖2 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1-434-37Scheme.2 Molecular structures 1-434-371.2羥基喹啉硼衍生物2000年,首次Wu等報道了8-羥基喹啉硼硼配合物,克服了Alq3的缺點,共價性比Al 的配合物要強一些,這樣它就比相的Al 配合物要穩(wěn)定得多,而且可以藍色電致發(fā)光,因而用硼配合物作為電致發(fā)光材料引起了人們的極大關(guān)注38。Wu等報道了用硼配合物作為發(fā)光層的有機光電器件。硼與氮、氧配位形成五元環(huán)
15、,硼中心形成典型的四面體幾何構(gòu)性,每個分子中五元螯合環(huán)和喹啉環(huán)是共平面的,與硼相連的其它兩個集團是為了提供電子保證硼的八電子穩(wěn)定39。他們合成了BR2q(R = ethyl, phen, 2- naphthyl),3 種配合物都發(fā)藍綠色的熒光,后面兩種配合物用芳基取代了乙基,熔點顯著提高,從而提高了配合物的穩(wěn)定性。Wu等認為,可能是芳基的引入增強了固態(tài)分子之間的相互作用,從而使后面兩種物質(zhì)有很好的電子傳輸性能,選用它們作為發(fā)光層,發(fā)現(xiàn)配合物B(phen)2q 與PBD之間有激基復(fù)合物的形成,使發(fā)光峰紅移,而用配合物B(2- naphthyl)2q 制備的器件:ITO/NPB:DPA(1 % )
16、/B(2- naphthyl)2q/AlC3/Al 則為B(2- naphthyl)2q 的本征發(fā)光,沒有形成激基復(fù)合物38(圖3 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1-4)。Wang等研究在喹啉的5位引入噻吩苯或者萘?xí)?dǎo)致發(fā)射光的紅移,但因為低的發(fā)光效率在有機光電材料上很難應(yīng)用,同時他們報道了用噻吩苯替代苯與中心B配位,雖沒有顯著地改變光的能量,但是有高的開路電壓10 V,最大亮度1050 cd/m2,可同時作為發(fā)光材料和電子傳輸層,制備的雙層電致發(fā)光器件可產(chǎn)生寬的發(fā)射譜帶,對激基絡(luò)合物的發(fā)射有重要意義40(圖3 化學(xué)結(jié)構(gòu)式5-6)。Stefan等人在8-羥基喹啉的5、7位引入苯基、二苯基、9,9-二己烯芴基,加入
17、8-芐基-5,7-二溴喹啉和硼酸衍生物通過Suzuki型交叉耦合反應(yīng),去保護后8-羥基喹啉醇轉(zhuǎn)變成目標(biāo)產(chǎn)物,進過一系列的分析表征,著重研究喹啉的配位基團增加共軛對分子性質(zhì)的影響,基于制備的小分子的有機發(fā)光器件,可以發(fā)黃色至橙色的光,低的開路電壓(3.5-3.7 V),連續(xù)波的亮度強度大于1000 cd/m2 41(圖3 化學(xué)結(jié)構(gòu)式7-9)。圖3 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1-938-41Scheme.3 Molecular structures 1-938-41除了單一的硼中心,Wang等還研究了多硼的螯合分子,研究分子結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)的反應(yīng),對分子理論穩(wěn)定性、HOMO/LUMO能級的研究具有重要的意義40。他們
18、還建立一個隨時更新的有機光電材料的數(shù)據(jù)庫,主要是有機光電材料的應(yīng)用和光色轉(zhuǎn)換42。1.3氮雜環(huán)酚鹽硼衍生物因為含C=N雙鍵的N雜環(huán)化合物可以有效的和B配位,所以含C=N雙鍵的五元N雜環(huán)如噻唑、惡唑、咪唑都可以作為配體與B結(jié)合,這些配合物不同于上述分子,具有新的結(jié)構(gòu)和豐富的光發(fā)射、電子轉(zhuǎn)移性能?;谌齻€環(huán)結(jié)構(gòu)的硼中心惡唑基酚鹽可以產(chǎn)生藍綠光,Zhang等進一步研究四個環(huán)結(jié)構(gòu)的硼化合物,用苯并噻唑/惡唑酚鹽作為配體。Kwak報道了兩種BF2-螯合的熒光素,以2-(2-羥苯基)苯并惡唑(HBO)和2-(2-羥苯基)苯并噻吩(HBF)為配體,在溶液狀態(tài)下發(fā)出藍色熒光,并有不錯的量子產(chǎn)率(F= 0.20
19、-0.23)43(圖4 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1)。利用HBO、HBF兩種配體,Zhang等合成了兩種BPh2-螯合物,有大體積芳香側(cè)基的四個環(huán)骨架結(jié)構(gòu),在溶液中都可以發(fā)出很強的藍光或者藍綠色光,在溶液中HBO、HBF的硼化合物量子效率F分別為0.55和0.65,固體中為0.53和0.6044(圖4 化學(xué)結(jié)構(gòu)式2)。圖4 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1-243-44Scheme.4 Molecular structures 1-243-441.4氮雜環(huán)-氮雜環(huán)硼衍生物不同于N,B-O的配體模型,N,B-N是另外一種很重要的B配合物形式。含有兩個N原子,一個可以和B以化學(xué)鍵相連,另一個N提供電子對到B的空p軌道上形成配位鍵。
20、為了使吲哚基或者氮雜吲哚基可以用螯合的方式與中心B 原子結(jié)合,Wang等對配體進行了修飾,將吡啶基引入吲哚基或者氮雜吲哚基的2 位上,并合成了兩種單核硼配合物,BPh2(2- py-in)和BPh2(2- py-azain)。 兩種配合物在固態(tài)和溶液狀態(tài)下都發(fā)藍綠色光,后者制備的器件I TO/NPB/ BPh2(2- py-azain)Alq3/Al,發(fā)現(xiàn)與NPB之間形成了激基復(fù)合物,它的EL光譜與PL光譜相比有較大的紅移,可到達515 nm處.。為了得到BPh2(2- py-azain)的本征發(fā)射,在NPB和發(fā)光層之間加入一層電子傳輸空穴阻擋(ECHB)材料BCP,得到了硼配合物的本征發(fā)光,
21、發(fā)光峰位于490 nm44-45(圖5 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1-2)。Wang等合成硼配合物是雙核配合物,氮雜吲哚以橋鍵的方式與兩個硼原子配位,配合物發(fā)藍光。在配合物中引入苯基使硼配合物的穩(wěn)定性得到了很大提高,而且能形成了致密的有機薄膜。B2(O)(7-azai n)2phen2有兩種異構(gòu)體,異構(gòu)體A 比較穩(wěn)定且宜升華,熔點274 C; 異構(gòu)體B當(dāng)T>150 的時候分解。所以選用A作為發(fā)光層制備了器件:I TO/NPB: 9 ,10- di phenylant hracence(1 % )異構(gòu)體A/AlC3/Mg:Ag(9:1 ),發(fā)光峰位450 nm,開啟電壓為7 V,在14 V 時亮度達到10
22、24 cd/m2,表面硼配合物是一種潛在的藍色電致發(fā)光材料46(圖5 化學(xué)結(jié)構(gòu)式3-4)。圖5 化學(xué)結(jié)構(gòu)式1-444-46Scheme.4 Molecular structures 1-444-463. 總結(jié)本文總結(jié)了一系列的硼配合物,而且研究了它們作為有機光電材料的光物理和的電學(xué)性質(zhì)。因為配體的多樣性和配合機制的簡單性,可以方便地合成多種多樣的硼中心配合物。通過改變配體的種類,可以控制硼配合物的剛性骨架結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)。目前有機電致發(fā)光材料具有低耗電性、出色的發(fā)光品質(zhì)。硼配合物是一類非常好的用于有機電致發(fā)光材料,它的剛性分子結(jié)構(gòu)、中心離子與配體之間形成大的空間位阻、普遍較高的玻璃化溫度以及內(nèi)鹽
23、結(jié)構(gòu)促成的很好的載流子傳輸特性都是其特有的優(yōu)勢。正是這些方面的優(yōu)勢,硼配合物被廣泛應(yīng)用于光電材料,如有機發(fā)光二極管、有機場效應(yīng)晶體管、光敏材料、傳感器、成像材料等,具有很好的應(yīng)用前景。參考文獻1Kiprof P, Carlson J C, Anderson D R, Nemykin V N. Dalton Trans. 2013, 42, 15120.2Zou L-Y, Zhang Z-L, Ren A-M, Ran X-Q, Feng J-K Theoretical Chemistry Accounts 2010, 126, 361.3Yasuda T, Tsutsui T. Molecul
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