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芴类共轭聚合物是一种具有高量子效率、较好的光热稳定性和溶解性,并且结构易于修饰的材料,被认为是最具应用前景的聚合物电致发光材料之一。但其本身还存在一些不足有待克服,如固态时由于π-π堆积作用而导致发光波长红移;在退火或通电流后会产生发光拖尾现象;而聚芴炔电致发光材料由于其具有较刚性的结构易发生链间π-π堆积,固态时量子效率急剧降低。针对这类聚合物中存在的问题,在本论文中设计并合成了多种具有不同拓扑结构的含有芴基的聚合物及寡聚物,并对其发光性能、热稳定性、电化学、电致发光等方面性质进行了详细的研究。主要工作分为以下几个部分:
一、芴炔类和芴类超支化π-共轭聚合物的合成、表征及光电性能研究。首先分别用AB2和A3+B2的方法合成了两种超支化芴炔类聚合物P1和P2,并对其光电性能进行了研究。结果表明超支化芴炔类聚合物中的π-π堆积虽然较线性聚芴炔弱,但其发光性能并没有显著提高。此外,用A3+B2的方法制备了超支化芴类聚合物P4,将其发光性能与线型聚芴相比,P4的π-π堆积作用明显降低,发光稳定性有所提高。超支化聚合物与线型聚合物相比具有相似的热稳定性及电化学行为,其HOMO和LUMO能级较线型聚合物略有降低。
二、主链上含有9,10-蒽基的X-型芴类π-共轭聚合物的合成、表征与光电性能研究。合成了一种含有芴和蒽单元的X-型单体,并在此基础上发展了一系列主链上含有9,10-蒽基的π-共轭聚合物P6~P8。对X-型结构单元对聚合物光电性能的影响进行了研究,结果表明,X-型单元的引入降低了聚合物主链间的堆积作用,使得聚合物具有非常高的固态绝对量子效率(67%~81%),其固态薄膜的光致发光热稳定也较线型聚芴明显提高。电化学测试表明,聚合物的HOMO和LUMO能级随X单元含量的增加略有升高。此外,还对聚合物的电致发光性能进行了探索。以P6~P8作为发光层的PLED器件(结构为ITO/PEDOT-PSS/EL Polymer/LiF/Ca/Al)呈现良好的电致发光性能,其电致发光光谱与光致发光光谱比较相似,器件的启亮电压较低(4-5.5V),最大亮度均可达到500 cd m-2以上。
三、主链上含有2,6-蒽基的X-型芴类π-共轭聚合物的合成、表征与光电性能研究。本部分工作研究另一种基于芴和蒽单元的新型X-型聚合物——主链上含有2,6-蒽基的芴类π-共轭聚合物P9~P11。与P6~P8相比,P9~P11的聚合物主链共轭程度较高。同样由于X-型结构单元的引入使得聚合物链间的相互作用降低,P9~P11固态下具有很高的发光量子效率(50%-82%)。在电致发光性能上,以P9~P11作为发光层的器件的启亮电压很低,其中基于P11的器件的启亮电压只有3.5 V,最大亮度可以达到885 cd m-2,展现了良好的电致发光性能。作为这一部分工作的扩展,将三苯胺和萘引入聚合物,得到了两种新的X-型聚合物P12和P13。这两种聚合物除了具有良好的电致发光性能外,其HOMO能级分别达到-5.03 eV和-5.19 eV,具有较强的空穴传输能力,因而除了可作为发光材料外,也具有作为空穴传输材料的潜力。
四、X-型芴炔类π-共轭聚合物的合成、表征与光电性能研究。将X-型结构单元引入芴炔类聚合中,制备了两种X-型芴炔类聚合物P14和P15。这两种聚合物具有良好的溶解性和热稳定性。将其发光性能与线型聚芴炔比较可知,X-型芴炔类聚合物中的π-π堆积作用明显降低。由于X-型单元的引入,P14和P15的固态绝对量子效率达到24%,较线型聚芴炔P16的固态绝对量子效率(9.3%)显著提高。与超支化芴炔类聚合物P1和P2相比,P14和P15明显改善了芴炔类聚合物的发光性能。
五、X-型芴炔类π-共轭寡聚物的合成、表征与光电性能研究。考虑到寡聚物既具有小分子的结构单一和易于纯化的优点,又具有高分子量,在前面工作基础上设计了几种X-型芴类寡聚物。首先制备了两种X.型芴类寡聚物37和38,它们具有相同的X-型结构重复单元,单元数分别2和3。由于X-型结构单元可以有效抑制分子间的堆积作用,37和38在固态下具有很高的绝对量子效率(分别为35%和42%)以及良好的发光稳定性。这类寡聚物随着X-型结构单元数目的增加,其紫外吸收峰和荧光发射峰逐渐红移。此外,还合成了两种具有单个X-型结构单元的寡聚物50和55,它们除了具有良好的发光性能外,还具有较强空穴传输能力,其HOMO能级分别达到-5.18 eV和-5.00 eV。50和55都具有良好的热稳定性,加热至300℃也没有出现熔融峰,其中55的Tg高达223℃。进一步对50和55的非线性光学性质进行研究,结果表明55具有比较明显的双光子吸收性质。