CN105566614B - 一种电致发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电致发光器件，其特征在于，包括依次层叠的具有阳极的衬底、发光层以及阴极层，所述发光层为主体材料和客体材料的混合物，其中主体材料如下所示的有机半导体材料，所述有机半导体材料的化学式如下所示：其中，R为C1～C20的烷基，n为10～100的整数，本发明提供有机半导体材料同时具有空穴传输性质和电子传输性质，使在发光层中空穴和电子的传输平衡，还具有较高的三线态能级，三线态能级大于2.78eV，有效的防止发光过程中能量回传给主体材料，大大提高发光效率。
Description
技术领域
本发明属于光电材料领域，具体涉及一种有机半导体材料、制备方法和电致发光器件。
背景技术
有机电致发光器件具有驱动电压低、响应速度快、视角范围宽以及可通过化学结构微调改变发光性能使色彩丰富，容易实现分辨率高、重量轻、大面积平板显示等优点，被誉为“21世纪平板显示技术”，成为材料、信息、物理等学科和平板显示领域研究的热点。未来高效的商业化有机发光二极管将很可能会含有有机金属磷光体，因为它们可以将单线态和三线态激子均捕获，从而实现100％的内量子效率。然而，由于过渡金属配合物的激发态激子寿命相对过长，导致不需要的三线态-三线态(T1-T1)在器件实际工作中淬灭。为了克服这个问题，研究者们常将三线态发光物掺杂到有机主体材料中。
近年来，绿色和红色磷光OLED器件展示出令人满意的电致发光效率。而高效的蓝色磷光器件却很少，主要原因是缺乏同时具有较好的载流子传输性能和较高的三线态能级(ET)的主体材料。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种有机半导体材料，该有机半导体材料具有具有空穴传输性质和电子传输性质，使在发光层中空穴和电子的传输平衡，还具有较高的三线态能级，三线态能级大于2.78eV，有效的防止发光过程中能量回传给主体材料，大大提高发光效率，本发明有机半导体材料为双极性蓝光磷光主体材料提供了新的可选择的品种。本发明还提供了该有机半导体材料的制备方法，以及包含该有机半导体材料的电致发光器件。
一方面，本发明提供了一种有机半导体材料，所述有机半导体材料的化学式如下所示：
其中，R为C1～C20的烷基，n为10～100的整数。
第二方面，本发明提供了一种有机半导体材料的制备方法，包括如下步骤：
提供化合物A：和化合物B：其中，R为C1～C20的烷基；在惰性气氛下，将化合物A与化合物B按照摩尔比为1∶1～1∶1.2添加入含有催化剂和碱溶液的有机溶剂中，在70～130℃下进行Suzuki耦合反应12～96小时，所述催化剂为有机钯或为有机钯与有机磷配体的混合物，得到如下结构式表示的有机半导体材料P：
其中，n为10～100的整数。
优选地，所述有机半导体材料的制备方法还包括将有机半导体材料P进行分离纯化的步骤，所述分离纯化步骤如下：向所述化合物A和化合物B进行Suzuki耦合反应后的溶液中加入甲醇沉析并过滤，将过滤得到的固体依次用甲醇和正己烷进行抽提，将经过抽提后的固体用氯仿抽提，收集氯仿溶液后蒸发溶剂得到纯化后的有机半导体材料P。
优选地，所述有机溶剂选自甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的至少一种。
优选地，所述碱溶液选自碳酸钠溶液、碳酸钾溶液及碳酸氢钠溶液中的至少一种，所述碱溶液中的溶质与化合物A的摩尔比为20∶1～50∶1。
优选地，所述有机钯为双三苯基膦二氯化钯、四三苯基膦钯、醋酸钯或三二亚苄基丙酮二钯，所述有机膦配体为三叔丁基膦、三邻甲苯基膦或2-双环己基磷-2’，6’-二甲氧基联苯，所述有机钯与所述有机膦配体的摩尔比为1∶4～1∶8。
优选地，所述催化剂中的有机钯与所述化合物A的摩尔比为1∶20～1∶100。
第三方面，本发明提供了一种电致发光器件，包括依次层叠的具有阳极的衬底、发光层以及阴极层，所述发光层为主体材料和客体材料的混合物，其中主体材料如下所示的有机半导体材料：其中，R为C1～C20的烷基，n为10～100的整数，客体材料为三[1-苯基异喹啉-C2，N]铱、双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱、[二(2′，4′-二氟苯基)吡啶][四(1-吡唑基)硼]合铱或者[二(2′，4′-二氟苯基)吡啶](四唑吡啶)合铱。
优选地，所述主体材料与所述客体材料的质量百分比为5％～20％。
优选地，阳极材料为氧化铟锌或氧化锌铝，阴极为金属铝、银、金或镍。
本发明提供了一种有机半导体材料、制备方法和电致发光器件，具有以下有益效果：同时具有空穴传输性质和电子传输性质，使在发光层中空穴和电子的传输平衡，还具有较高的三线态能级，三线态能级大于2.78eV，有效的防止发光过程中能量回传给主体材料，大大提高发光效率。该材料采用了较简单的合成路线，减少了工艺流程，原材料价廉易得，制造成本得到降低。
附图说明
图1是以实施例1中制得的有机半导体材料为主体材料制得的有机电致发光器件的结构示意图；
图2是实施例1中制得的有机半导体材料的差示扫描量热曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例和图例来进一步说明本发明的技术案，具体包括材料制备和器件制备，但这些实施实例并不限制本发明，其中单体A从市场上购买得到，单体B从市场上购买得到。
本发明提供了一种有机半导体材料，所述有机半导体材料的化学式如下所示：
其中，R为C1～C20的烷基，n为10～100的整数。
该有机半导体材料具有双极性载流子传输能力，使在发光层中的空穴和电子传输平衡；同时具有空穴传输性质和电子传输性质，使在发光层中空穴和电子的传输平衡，还具有较高的三线态能级，三线态能级大于2.78eV，有效的防止发光过程中能量回传给主体材料，大大提高发光效率，因此本发明有机半导体材料具有双极性蓝光磷光主体材料。
本发明提供了一种有机半导体材料的制备方法，包括如下步骤：
提供化合物A：和化合物B：其中，R为C1～C20的烷基；在惰性气氛下，将化合物A与化合物B按照摩尔比为1∶1～1∶1.2添加入含有催化剂和碱溶液的有机溶剂中，在70～130℃下进行Suzuki耦合反应12～96小时，所述催化剂为有机钯或为有机钯与有机磷配体的混合物，得到如下结构式表示的有机半导体材料P：
其中，n为10～100的整数。
在具体实施例中，所述有机半导体材料的制备方法进一步还包括将有机半导体材料P进行分离纯化的步骤，所述分离纯化步骤如下：向所述化合物A和化合物B进行Suzuki耦合反应后的溶液中加入甲醇沉析并过滤，将过滤得到的固体依次用甲醇和正己烷进行抽提，将经过抽提后的固体用氯仿抽提，收集氯仿溶液后蒸发溶剂得到纯化后的有机半导体材料P。
本实施方式中，抽提使用索氏提取器进行。
本实施方式中，将收集氯仿溶液后蒸发溶剂得到纯化后的有机半导体材料P在真空下50℃～70℃干燥24小时～48小时。
在具体实施例中，所述有机溶剂选自甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的至少一种。
在具体实施例中，所述碱溶液选自碳酸钠溶液、碳酸钾溶液及碳酸氢钠溶液中的至少一种，所述碱溶液中的溶质与化合物A的摩尔比为20∶1～50∶1。
在具体实施例中，所述所述有机钯为双三苯基膦二氯化钯、四三苯基膦钯、醋酸钯或三二亚苄基丙酮二钯，所述有机膦配体为三叔丁基膦、三邻甲苯基膦或2-双环己基磷-2’，6’-二甲氧基联苯，所述有机钯与所述有机膦配体的摩尔比为1∶4～1∶8。
在具体实施例中，所述催化剂中的有机钯与所述化合物A的摩尔比为1∶20～1∶100。
采用了较简单的合成路线，从而减少工艺流程，原材料价廉易得，使得制造成本降低。
本发明提供了一种电致发光器件，包括依次层叠的具有阳极的衬底、发光层以及阴极层，所述发光层为主体材料和客体材料的混合物，其中主体材料如下所示的有机半导体材料：其中，R为C1～C20的烷基，n为10～100的整数，客体材料为三[1-苯基异喹啉-C2，N]铱、双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱、[二(2′，4′-二氟苯基)吡啶][四(1-吡唑基)硼]合铱或者[二(2′，4′-二氟苯基)吡啶](四唑吡啶)合铱。
在具体实施例中，所述客体材料与所述主体材料的质量百分比为5％～20％。
在具体实施例中，阳极材料为氧化铟锌或氧化锌铝，阴极为金属铝、银、金或镍。
基于该材料的有机发光器件发射蓝光，且发光效率高。
实施例1：
本实施例公开了结构式如下的聚{N-正己烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}(有机半导体材料P1)：
上述有机半导体材料P1的制备过程如下：
在氩气保护下，将N-正己烷基-3，7-二频哪醇硼酸酯吩噻嗪(107mg，0.2mmol)、2，6-二溴-吡啶(47mg，0.2mmol)加入盛有10ml甲苯溶剂的烧瓶中，充分溶解后将碳酸钾(2mL，2mol/L)溶液加入到烧瓶中，抽真空除氧并充入氩气，然后加入双三苯基膦二氯化钯(5.6mg，0.008mmol)；将烧瓶加热到100℃进行Suzuki耦合反应48h。降温后停止聚合反应，向烧瓶中滴加50ml甲醇中进行沉降；通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，得到该聚{N-正己烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}有机半导体材料，最后真空下50℃干燥24h。产率为83％。
上述制备有机半导体材料P1的反应式如下：
分子量测试结果为：Molecular weight(GPC，THF，R.I)：Mn＝21.8kDa，Mw/Mn＝2.2。
参见附图2是本实施例制备的有机半导体材料的差示扫描量热曲线，差示扫描量热曲线测试在Perkin Elmer DSC-7上进行，由图可以看出玻璃化转变温度(Tg)为118℃。
实施例1中制备的有机半导体材料P1的紫外-可见吸收光谱图，紫外-可见吸收光谱在Jasco-570紫外分析仪上测量。由图可以看出：本发明聚合物的在300nm～700nm之间有较大较宽的吸收，其中最大吸收峰位于583nm，宽的吸收光谱表明P1是一种光伏材料。
通过测试低温磷光光谱，仪器为FS组合式荧光/磷光光谱仪，以考察实施例1中制备的有机半导体材料P1三线态发射特性。在77K的液氮下，有机半导体材料P1表现出很强的磷光发射，发射峰在442nm，相应的三线态能量为2.80eV，大大高于磷光材料双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱(III)FIrpic的三线态能量(2.65eV)，测试数据结果表明我们的材料可作为蓝光磷光主体材料。
实施例2：
本实施例公开了结构式如下的聚{N-甲烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}(有机半导体材料P2)：
在氮气和氩气混合气保护下，将N-甲烷基-3，7-二频哪醇硼酸酯吩噻嗪(140mg，0.3mmol)、2，6-二溴-吡啶(71mg，0.3mmol)和15mL四氢呋喃加入50mL规格的两口瓶中，充分溶解后通入氮气和氩气的混合气排空气约20min后，然后将四三苯基膦钯(4mg，0.003mmol)加入其中，充分溶解后再加入碳酸氢钠(3mL，2mol/L)溶液。再充分通氮气和氩气的混合气排空气约10min后，将两口瓶加入到70℃进行Suzuki耦合反应96h。降温后停止聚合反应，向烧瓶中滴加40ml甲醇中进行沉降；通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，得到聚{N-甲烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}有机半导体材料，最后真空下50℃干燥24h。产率为80％。
上述制备有机半导体材料P2的反应式如下：
分子量测试结果为：Molecular weight(GPC，THF，R.I)：Mn＝13.4kDa，Mw/Mn＝2.4。
本实施例2制备的有机半导体材料P2的差示扫描量热曲线，差示扫描量热曲线测试在Perkin Elmer DSC-7上进行，玻璃化转变温度(Tg)为131℃。
实施例2中制备的有机半导体材料P2的紫外-可见吸收光谱图，紫外-可见吸收光谱在Jasco-570紫外分析仪上测量。由图可以看出：本发明聚合物的在300nm～700nm之间有较大较宽的吸收，其中最大吸收峰位于584nm，宽的吸收光谱表明P2是一种光伏材料。
通过测试低温磷光光谱，仪器为FS组合式荧光/磷光光谱仪，以考察有机半导体材料P2三线态发射特性。在77K的液氮下，有机半导体材料P2表现出很强的磷光发射，发射峰在437nm，相应的三线态能量为2.84eV，大大高于磷光材料双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱(III)FIrpic的三线态能量(2.65eV)，测试数据结果表明我们的材料可作为蓝光磷光主体材料。
实施例3：
本实施例公开了结构式如下的聚{N-甲烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}(有机半导体材料P3)：
在氮气保护下，将N-正二十烷基-3，7-二频哪醇硼酸酯吩噻嗪(220mg，0.3mmol)、2，6-二溴-吡啶(78mg，0.33mmol)、醋酸钯(3.5mg，0.015mmol)和三(邻甲氧基苯基)膦(21mg，0.06mmol)加入到盛有12mL的N，N-二甲基甲酰胺的烧瓶中，充分溶解后加入碳酸钾(3mL，2mol/L)溶液，随后往烧瓶中通氮气排空气约30min后；将烧瓶加热到130℃进行Suzuki耦合反应12h。停止反应并冷却到室温，向烧瓶中滴加40ml甲醇中进行沉降；通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，得到聚{N-甲烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}有机半导体材料，最后真空下50℃干燥24h。产率为75％。
上述制备有机半导体材料P3的反应式如下：
分子量测试结果为：Molecular weight(GPC，THF，R.I)：Mn＝50.1kDa，Mw/Mn＝2.0。
本实施例3制备的有机半导体材料P3的差示扫描量热曲线，差示扫描量热曲线测试在Perkin Elmer DSC-7上进行，玻璃化转变温度(Tg)为92℃。
实施例3中制备的有机半导体材料P3的紫外-可见吸收光谱图，紫外-可见吸收光谱在Jasco-570紫外分析仪上测量。由图可以看出：本发明聚合物的在300nm～700nm之间有较大较宽的吸收，其中最大吸收峰位于579nm，宽的吸收光谱表明P3是一种光伏材料。
通过测试低温磷光光谱，仪器为FS组合式荧光/磷光光谱仪，以考察有机半导体材料P三线态发射特性。在77K的液氮下，有机半导体材料P表现出很强的磷光发射，发射峰在444nm，相应的三线态能量为2.79eV，大大高于磷光材料双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱(III)FIrpic的三线态能量(2.65eV)，测试数据结果表明我们的材料可作为蓝光磷光主体材料。
实施例4：
本实施例公开了结构式如下的聚{N-正丁烷基-3，7-二基-吩噻嗪-2，7-二基咔唑-co-2，6-二基-吡啶}(有机半导体材料P4)：
在氮气保护下，将N-正丁烷基-3，7-二频哪醇硼酸酯吩噻嗪(152mg，0.3mmol)、2，6-二溴-吡啶(85mg，0.36mmol)、三二氩苄基丙酮二钯(9mg，0.009mmol)和2-双环己基膦-2′，6′-二甲氧基联苯(29mg，0.072mmol)加入到盛有12mL的N，N-二甲基甲酰胺的烧瓶中，充分溶解后加入碳酸钠(3mL，2mol/L)溶液。随后往烧瓶中通氮气排空气约30min后；将烧瓶加热到120℃进行Suzuki耦合反应36h。降温后停止聚合反应，向烧瓶中滴加40ml甲醇中进行沉降；通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，得到聚{N-正丁烷基-3，7-二基-吩噻嗪-2，7-二基咔唑-co-2，6-二基-吡啶}有机半导体材料，最后真空下50℃干燥24h。产率为82％。
上述制备有机半导体材料P4的反应式如下：
分子量测试结果为：Molecular weight(GPC，THF，R.I)：Mn＝43.4kDa，Mw/Mn＝2.1。
本实施例4制备的有机半导体材料P4的差示扫描量热曲线，差示扫描量热曲线测试在Perkin Elmer DSC-7上进行，玻璃化转变温度(Tg)为126℃。
实施例4中制备的有机半导体材料P4的紫外-可见吸收光谱图，紫外-可见吸收光谱在Jasco-570紫外分析仪上测量。由图可以看出：本发明聚合物的在300nm～700nm之间有较大较宽的吸收，其中最大吸收峰位于586nm，宽的吸收光谱表明P4是一种光伏材料。
通过测试低温磷光光谱，仪器为FS组合式荧光/磷光光谱仪，以考察有机半导体材料P4三线态发射特性。在77K的液氮下，有机半导体材料P4表现出很强的磷光发射，发射峰在438nm，相应的三线态能量为2.82eV，大大高于磷光材料双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱(III)FIrpic的三线态能量(2.65eV)，测试数据结果表明我们的材料可作为蓝光磷光主体材料。
实施例5：
本实施例公开了结构式如下的聚{N-正十二烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}(有机半导体材料P5)：
在氮气保护下，将N-正十二烷基-3，7-二频哪醇硼酸酯吩噻嗪(186mg，0.3mmol)、2，6-二溴-吡啶(71mg，0.36mmol)、四三苯基膦钯(8mg，0.006mmol)加入到盛有15mL甲苯加入50mL的双口烧瓶中，充分溶解后加入碳酸钾(3mL，2mol/L)溶液。随后往烧瓶中通氮气排空气约10min后；将烧瓶加热到90℃进行Suzuki耦合反应60h。降温后停止聚合反应，向烧瓶中滴加40ml甲醇中进行沉降；通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，得到聚{N-正十二烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}有机半导体材料，最后真空下50℃干燥24h。产率为76％。
上述制备有机半导体材料P5的反应式如下：
分子量测试结果为：Molecular weight(GPC，THF，R.I)：Mn＝22.6kDa，Mw/Mn＝2.3。
本实施例5制备的有机半导体材料P5的差示扫描量热曲线，差示扫描量热曲线测试在Perkin Elmer DSC-7上进行，玻璃化转变温度(Tg)为105℃。
实施例5中制备的有机半导体材料P5的紫外-可见吸收光谱图，紫外-可见吸收光谱在Jasco-570紫外分析仪上测量。由图可以看出：本发明聚合物的在300nm～700nm之间有较大较宽的吸收，其中最大吸收峰位于585nm，宽的吸收光谱表明P5是一种光伏材料。
通过测试低温磷光光谱，仪器为FS组合式荧光/磷光光谱仪，以考察有机半导体材料P5三线态发射特性。在77K的液氮下，有机半导体材料P5表现出很强的磷光发射，发射峰在444nm，相应的三线态能量为2.79eV，大大高于磷光材料双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱(III)FIrpic的三线态能量(2.65eV)，测试数据结果表明我们的材料可作为蓝光磷光主体材料。
应用实施例
有机电致发光器件300，其结构如图1其包括基底301，阳极302，空穴注入层303，空穴传输层304，发光层305，电子传输层306，电子注入缓冲层307，阴极308。
本实施例中基底301的材质为玻璃，在基底301上依次真空镀膜阳极302，空穴注入层303，空穴传输层304，发光层305，电子传输层306，电子注入缓冲层307，阴极308，阳极302采用方块电阻为10～20Ω/□的氧化铟锡，厚度为150nm，空穴注入层303采用聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸，厚度为30nm，空穴传输层304采用N，N′-二苯基-N，N′-(1-萘基)-1，1′-联苯-4，4′-二胺，厚度为20nm，发光层305主体发光材料采用本发明实施1制备的化合物聚{N-正己烷基-3，7-二基-吩噻嗪-co-2，6-二基-吡啶}，并以主体材料为基准掺杂质量百分数为10％的客体发光材料双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱(III)，发光层305厚度为20nm，电子传输层306采用5(4，7-二苯基-1，10-菲罗啉，厚度为30nm，电子注入缓冲层307采用氟化锂，厚度为1nm，阴极308采用金属铝，厚度为100nm。
有机层和金属层均采用热蒸发工艺沉积完成，真空度为10-3～10-5pa，薄膜的厚度采用膜厚监控仪器监视，除客体材料外所有有机材料的蒸发速率为/秒，氟化锂的蒸发速率为/秒，金属铝的蒸发速率为/秒。
该电致发光器件具有较高的发光效率，可广泛应用在蓝色或白色等发光领域。器件的电流-亮度-电压特性是由带有校正过得硅光电二极管的Keithley源测量系统(Keithley 2400Sourcemeter、Keithley 2000Cuirrentmeter)完成的所有测量均在室温大气中完成。结果表明：器件的最大电效率为10.8cd/A，最大亮度为24710cd/m2。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种电致发光器件，其特征在于，包括依次层叠的具有阳极的衬底、发光层以及阴极层，所述发光层为主体材料和客体材料的混合物，其中主体材料如下所示的有机半导体材料：
其中，R为C1～C20的烷基，n为10～100的整数，客体材料为三[1-苯基异喹啉-C2，N]铱、双(4，6-二氟苯基吡啶-N，C2)吡啶甲酰合铱、[二(2′，4′-二氟苯基)吡啶][四(1-吡唑基)硼]合铱或者[二(2′，4′-二氟苯基)吡啶](四唑吡啶)合铱。
2.如权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，所述客体材料与所述主体材料的质量百分比为5％～20％。
3.如权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，构成阳极的材料为氧化铟锌或氧化锌铝，阴极为金属铝、银、金或镍。
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