噻咯衍生物应用.docVIP

研 究 生 课 程 论 文 (2014-2015学年) 噻咯衍生物的应用 研究生：宋波 提交日期：2015年01月08日 研究生签名：宋波 学 号 201130420144 学 院 材料科学与工程学院 课程编号 S0805243 课程名称 有机硅与有机氟材料噻咯衍生物的应用 宋波 摘要：荧光分子是一类非常有用的材料并在技术领域找到了一系列的应用。如今，大量的研究兴趣集中在研究它们在OLEDs 和传感体系领域中的应用。虽然，由于低的LUMO能级和能带隙，噻咯早在1996年就已被发现可用作高效的电子传输（ET）材料，且器件的性能与噻咯环的2,5位上的取代基密切相关。但直到噻咯的AIE现象的发现才开始了对可被用作OLEDs材料的噻咯的探索。同时，AIE现象的发现阐明了噻咯这一特殊的荧光分子在固态高度发光的特性，从而开辟了噻咯在光电材料、化学传感、生物检测、传感及成像等多个领域的应用。 关键词：噻咯；聚集诱导发光；OLED；化学传感；生物检测 前言 硅杂环戊二烯(silole)又称硅咯、噻咯，是一种含硅的五元环，是环戊二烯的一种硅类似物。与其他五元环相比，由于硅原子与相邻的丁二烯存在σ*-π*共轭作用，使得五元环的最低空轨道(LUMO)能量低于常见的五元芳香环，如吡咯、呋喃、噻吩等，赋予了该类化合物高的电子接受能力和电子传输性能，使它们在光电材料等领域具有广泛的应用前景。自从Braye 和Hübel 在1959 年合成第一个硅杂环戊二烯化合物，1,1,2,3,4,5-六苯基硅杂环戊二烯开始，研究者们围绕该类化合物的合成、反应活性、性质等方面展开了广泛的研究。 1. OLEDs方面的应用 由于其在新型显示器件中的潜在应用，有机发光二极管（OLEDs）吸引了广 泛的研究兴趣。为实现OLEDs的高的电致荧光效率，需要空穴与电子的平衡注入与传输以及高效的固态荧光材料。电荷的注入可通过低功函的金属作为阴极或调整有机层的HOMO/LUMO能级来平衡。然而，由于有机半导体固有的空 穴传输性能，电荷传输比较困难。因此，高迁移率的电子传输（ET）有机材料 非常稀少且有着巨大的需求。传统的有机半导体遭受源自聚集态下形成的激基缔合物或激基复合物而使荧光效率降低的ACQ效应。这一效应一直是高效OLED开发中的棘手问题，因为荧光分子通常以固态薄膜的形式用于OLED 器件。虽然通过将薄膜的形貌从无定形改变成晶态，空穴和电子迁移率均显著增加，但ACQ 效应却愈演愈烈。这种自我矛盾难以处理。 图 1 HPS、MPPS 113、114AIE和结晶荧光增强（CEE）特性真正使得它们成为电致发 光（EL）材料的极有希望的候选。聚集包括结晶可成为提高电致发光器件性能 的积极因素。而且，噻咯是杰出的电子传输材料，在1.2×106 V/cm 的电场下测得MPPS薄膜的迁移率为2.1×10-6 cm2/Vs，这一迁移率可与在同一电场下测得的最广为应用的电子传输材料Alq3（2.3×10-6 cm2/Vs）HPS薄膜的电子迁移率比MPPS薄膜的迁移率高~1.5倍。最近，唐老师课题组制备了电子迁移率更高的噻咯，如图1所示，通过利用瞬态EL 法，测得114和113电子迁移率分别位于5.0×10-6 cm2/Vs?1.2×10-5 cm2/Vs 和3.1?6.3×10-6 m2/Vs，比Alq3 的迁移率（在电场为1.2-4.0×106 V/cm 的电场下，迁移率为2.3?4.3×10-6 cm2/Vs）更高。Alq3在固态表现出很低的ФF值，而噻咯的固态ФF值则高得多，因此基于噻咯制得了一系列发光二极管并得到了卓越的器件性能。对于OLED应用领域来说，噻咯是一类性能优越的发光材料和电子传输材料。这些优异的性能源于它们固有的螺旋桨结构和由σ*?π*共轭所产生的高电子亲和性，这种独特的螺旋桨结构和电子亲和性降低了激基缔合物和激基复合物形成的可能性并同时增强了电子迁移率。据我们所知，噻咯是同时具有高的载流子迁移率和固态荧光效率的发光最好的材料之一。 2.光伏器件方面的应用 噻咯的高电子亲和力刺激了我们利用这些活性材料来构建光伏器件的兴趣。激子在给体(donor, D)-受体(acceptor, A)异质结的界面上有效分离是被大家所公认的。咔唑是一类著名的电子给体和广泛应用的空穴传输材料。因而，可以设想，噻咯受体体系中咔唑给体基团的引入将创造出光响应的D?A 加合物。在施加的偏压的影响下，各自的给体和受体区域中分离的空穴和电子可稳定地沿着界面迁移至相应的电极从而完成从光到电转换的光伏过程。从图2可以看出，所有Cz2HPS (10)的光伏器件（器件I-VI）均表现出良好的光伏转换性能。器件III得到的结果最好，其短路电流密度、开路电压以及填充因子分别为96