TWI732693B - 一種金屬配合物及其應用 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種金屬配合物,具有化學式(I)結構,該化合物應用於有機電致發光器件中,發射深紅光或者近紅外光,表現出較低的驅動電壓,較高的發光效率,且使用壽命也有很大程度的提升,有潛力應用於有機電致發光器件領域。本發明還提供了一種有機電致光電器件,包括陰極、陽極和有機層,所述有機層為空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、空穴阻擋層、電子傳輸層、電子注入層中的一層或多層,有機層中至少有一層含有結構式(I)中的化合物。
Description
本發明涉及有機電致發光材料領域,具體涉及一種金屬配合物及其作為發光材料在有機電致發光器件上的應用。
有機光電子器件,包括但不限於以下幾類:有機電致發光器件(OLEDs),有機薄膜電晶體(OTFTs),有機光伏器件(OPVs),發光電化學池(LCEs)和化學感測器。
近年來,OLEDs作為一種有巨大應用前景的照明、顯示技術,受到了學術界與產業界的廣泛關注。OLEDs器件具有自發光、廣視角、反應時間短及可製備柔性器件等特性,成為下一代顯示、照明技術的有力競爭者。但目前OLEDs仍然存在效率低、壽命短等問題,有待人們進一步研究。
早期的螢光OLEDs通常只能利用單重態發光,器件中所產生的三重態激子無法有效利用而通過非輻射的方式回到基態。因此,螢光OLEDs的量子產率較低,限制了OLEDs的推廣使用。1998年,香港大學支志明等人首次報導了電致磷光現象。同年,Thompson等人使用過渡金屬配合物作為發光材料製備了磷光OLEDs。磷光OLEDs能夠同時利用單線態和三線態激子發光,實現100%的內量子效率,在很大程度上促進了OLEDs的商業化進程。OLEDs的發光顏色調控可以通過發光材料的結構設計來實現。OLEDs可以包括一個發光層或者多個發光層以實現所需要的光譜。目前,綠色、黃色和紅色磷光材料已經實現了商業化應用。商業化的OLED顯示器,通常採用藍色螢光和黃色,或綠色和紅色磷光搭配來實現全彩顯示。具有更飽和發光光譜、更高效率和更長使用壽命的發光材料是目前產業界迫切需要的。
金屬配合物發光材料已經在產業上得到了應用,但其性能方面,如顏色飽和度、使用壽命等,仍不能滿足要求。本發明提供了一系列金屬配合物,研究發現,該類金屬配合物可以發射深紅至近紅外光。進一步研究發現,該類配合物還具有聚集誘導發光增強的性質。
針對現有技術存在的上述問題,本發明提供了一種金屬配合物發光材料,該材料應用於有機電致發光器件體現了良好的光電性質和器件壽命。本發明還提供了一種電致發光器件,該器件包含了本發明的金屬配合物。
有機電致發光材料,為具有式(I)結構的化合物:
(I)
其中:
R
1、R
2、R
3、R
4、R
5、R
6、R
7、R
8、R
9、R
10、R
11、R
12和R
13各自獨立地選自:氫、氘、鹵素、取代或未取代的具有1-20個碳原子的烷基、取代或未取代的具有3-20個碳原子的環烷基、取代或未取代的具有1-20個碳原子的烷氧基、取代或未取代的具有6-30個碳原子的芳基、取代或未取代的具有3-30個碳原子的雜芳基、或者氰基;
Ar
1為至少包含兩個N原子和3-30個碳原子的雜芳香基團;Ar
2和Ar
3各自獨立地選自3-30個碳原子的芳香基團或者雜芳香基團,所述雜芳香基團中的雜原選自N、S、O原子;
所述取代為被氘、鹵素或1-8個碳原子的烷基所取代。
通式(I)中,R
1、R
2、R
3、R
4、R
5、R
6、R
7、R
8、R
9、R
10、R
11、R
12和R
13分別優選自:氫、氘、鹵素、取代或未取代的具有1-6個碳原子的烷基、取代或未取代的具有3-6個碳原子的環烷基、取代或未取代的具有1-6個碳原子的烷氧基、取代或未取代的具有6-12個碳原子的芳基、取代或未取代的具有3-12個碳原子的雜芳基、或氰基;
Ar
1為含2-4個雜原子和3-12個碳原子的雜芳香基團;Ar
2和Ar
3各自獨立地選自3-12個碳原子的芳香基團或者雜芳香基團,所述雜芳香基團中的雜原選自N、S、O原子;
所述取代為被氘或1-4個碳原子的烷基所取代。
通式(I)中,R
1、R
2、R
3、R
4、R
5、R
6、R
7、R
8、R
9、R
10、R
11、R
12和R
13分別進一步優選自:氫、氘、取代或未取代的具有1-4個碳原子的烷基、取代或未取代的具有3-6個碳原子的環烷基;Ar
2和Ar
3各自獨立地選自5-10個碳原子芳香基團或者雜芳香基團。
通式(I)中,優選的,Ar
2和Ar
3為相同芳香基團。
通式(I)中,優選的,Ar
2和Ar
3分別選自苯或者萘單元。
優選R
1、R
2、R
3、R
4、R
5、R
6、R
7、R
8、R
9、R
10為氫。
以下列出按照本發明的金屬配合物例子,但不限於所列舉的結構:
1 | 2 | 3 | 4 |
5 | 6 | 7 | 8 |
9 | 10 | 11 | 12 |
13 | 14 | 15 | 16 |
17 | 18 | 19 | 20 |
21 | 22 | 23 | 24 |
25 | 26 | 27 | 28 |
29 | 30 | 31 | 32 |
33 | 34 | 35 | 36 |
37 | 38 | 39 | 40 |
41 | 42 | 43 | 44 |
45 | 46 | 47 | 48 |
49 | 50 | 51 | 52 |
53 | 54 | 55 | 56 |
57 | 58 | 59 | 60 |
61 | 62 | 63 | 64 |
65 | 66 | 67 | 68 |
69 | 70 | 71 | 72 |
73 | 74 | 75 | 76 |
77 | 78 | 79 | 80 |
81 | 82 | 83 | 84 |
85 | 86 | 87 | 88 |
89 | 90 | 91 | 92 。 |
本發明的金屬配合物發光材料,應用於電致發光器件能夠獲得深紅至近紅外的顏色,發射波長在620至1000nm之間,較好的在630至900nm之間,更好的在630至800nm之間。
本發明還提供一種上述金屬配合物在有機光電子器件中的應用,所述光電子器件包括,但不限於,有機電致發光器件(OLEDs),有機薄膜電晶體(OTFTs),有機光伏器件(OPVs),發光電化學池(LCEs)和化學感測器,優選為OLEDs。
一種包含上述金屬配合物的有機電致發光器件(OLEDs),該配合物作為發光器件中的發光材料。
本發明中的有機電致發光器件,包括陰極、陽極和有機層,所述有機層為空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、空穴阻擋層、電子注入層、電子傳輸層中的一層或多層,這些有機層不必每層都存在。
所述空穴注入層、空穴傳輸層、空穴阻擋層、發光層和/或電子傳輸層中至少有一層含有式(I)所述的化合物。
優選地,結構式(I)所述的化合物所在層為發光層或電子傳輸層。
本發明的器件有機層的總厚度為1-1000nm,優選1-500nm,更優選5-300nm。
所述有機層可以通過蒸渡或溶液法形成薄膜。
本發明有益的技術效果主要在於:(1)本發明中的金屬配合物應用於OLED器件中,具有良好的器件表現,發光效率得到了很大的改善,同時器件的使用壽命可以明顯提升;(2)傳統發光分子在聚集態時,由於分子間相互作用較強,導致發光量子產率降低,本發明中的金屬配合物在聚集態時,具有聚集誘導發光增強的性質,有利於提高器件的發光效率。
本發明對材料的合成方法不作要求,為了更詳細敘述本發明,特舉以下例子,但是不限於此。
下式化合物原料均為市售。
中間體4c的合成
將化合物4a(3.5g,19.2mmol)、化合4b(4.6g,23.0mmol)、醋酸鈀(0.4g,0.2mmol)和CsF (3.0g,20.0mmol)溶於三氟甲磺酸(10mL)和水(30mL)的混合溶液中,加熱至60
oC,反應8小時。冷至室溫後,將上述反應液加入水中,經二氯甲烷萃取三次,合併有機相。有機相經無水硫酸鈉乾燥後,旋除溶劑,剩餘物經柱層析分離得白色固體(4.7g,產率71%)。ESI-MS(
m/
z): 339.9(M+1)。備註:該反應在放大時,反應收率明顯降低。
化合物4e的合成
氮氣保護下,將化合物4c(17.0g,50.0mmol)溶於四氫呋喃(100mL),冷卻至-78
oC,逐滴加入正丁基鋰BuLi(1.2eq),攪拌30分鐘後,將化合物4d(17.3g,50.0mmol)的四氫呋喃溶液(30mL)滴加至上述溶液,攪拌30分鐘後,升至室溫,繼續攪拌1小時。將上述反應液加入水中,經二氯甲烷萃取三次,合併有機相。有機相經無水硫酸鈉乾燥後,旋除溶劑得淺黃色固體。將上述固體溶於醋酸(50mL)中,加入濃硫酸(4mL),氮氣保護下回流過夜。冷至室溫後,將上述反應液加入水中,經二氯甲烷萃取三次,合併有機相。有機相經無水硫酸鈉乾燥後,旋除溶劑,剩餘物經柱層析分離得淺黃色固體(18.6g,產率63%)。ESI-MS (
m/
z):588.1(M+1)。
化合物4f的合成
氮氣保護下,將化合物4e(5.9g,10.0mmol)、鄰羥基苯硼酸(1.6g,12.0mmol)、Pd(PPh
3)
4(0.6g,0.5mmol)、K
2CO
3(4.0g,30.0mmol)、四氫呋喃(50mL)和水(5mL)依次加入Schlenk管中。加熱至80
oC,反應24小時。冷至室溫後,將上述反應液加入水中,經二氯甲烷萃取三次,合併有機相。有機相經無水硫酸鈉乾燥後,旋除溶劑,剩餘物經柱層析分離得灰白色固體(4.9g,產率81%)。ESI-MS(
m/
z):600.2(M-1)。
化合物4g的合成
氮氣保護下,將化合物4f(4.9g,8.1mmol),聯硼酸頻哪醇酯(37mmol,10.0mmol),醋酸鉀(2.5g,25.0mmol),Pd(dppf)Cl
2(0.3g,0.4mmol)溶入二氧六環(50mL)中,氮氣置換數次後加熱回流反應過夜。冷至室溫後,將上述反應液加入水中,經乙酸乙酯萃取三次,合併有機相。有機相經無水硫酸鈉乾燥後,旋除溶劑,剩餘物經柱層析分離得灰白色固體(4.5g,產率85%)。ESI-MS(
m/
z):648.4(M-1)。
化合物4h的合成
氮氣保護下,將化合物4g(4.2g,6.5mmol)、氯代均三嗪(1.0g,8.5mmol)、Pd(PPh
3)
4(0.3g,0.3mmol)、K
2CO
3(1.3g,10.0mmol)、四氫呋喃(30mL)和水(5mL)依次加入Schlenk管中。加熱至80
oC,反應24小時。冷至室溫後,將上述反應液加入水中,經二氯甲烷萃取三次,合併有機相。有機相經無水硫酸鈉乾燥後,旋除溶劑,剩餘物經柱層析分離得淺黃色固體(2.4g,產率62%)。ESI-MS(
m/
z):601.3(M-1)。
配合物4的合成
將化合物4h(2.0g,3.3mmol)、氯鉑酸鉀(1.7g,4.0mmol)和250mL乙酸加入燒瓶中,氮氣保護下,回流攪拌48小時。冷至室溫後,將上述反應液加入水中,過濾得粗產物,重結晶得紅色固體(2.4g,產率90%)。ESI-MS(
m/
z):796.3(M+1)。
化合物29b的合成
用中間體29a替換中間體氯代均三嗪,參考化合物4h的合成方法製備化合物29b,得淺黃色固體(3.2g,產率70%)。ESI-MS(
m/
z):650.3(M-1)。
配合物29的合成
用中間體29b替換中間體4h,參考配合物4的合成方法製備化合物配合物29,得紅色固體(2.9g,產率85%)。ESI-MS (
m/
z):845.3(M+1)。
化合物32b的合成
用中間體32a替換中間體氯代均三嗪,參考化合物4h的合成方法製備化合物32b,得淺黃色固體(2.1g,產率55%)。ESI-MS(
m/
z):639.3(M-1)。
配合物32的合成
用中間體32b替換中間體4h,參考配合物4的合成方法製備化合物配合物32,得紅色固體(2.3g,產率81%)。ESI-MS(
m/
z):834.3(M+1)。
化合物36b的合成
用中間體32a替換中間體氯代均三嗪,參考化合物4h的合成方法製備化合物32b,得淺黃色固體(2.1g,產率55%)。ESI-MS(
m/
z):700.3(M-1)。
配合物36的合成
用中間體36b替換中間體4h,參考配合物4的合成方法製備化合物配合物36,得深紅色固體(1.9g,產率65%)。ESI-MS(
m/
z):895.5(M+1)。
化合物54b的合成
用中間體54a替換中間體氯代均三嗪,參考化合物4h的合成方法製備化合物54b,得淺黃色固體(3.5g,產率69%)。ESI-MS(
m/
z):664.4(M-1)。
配合物54的合成
用中間體54b替換中間體4h,參考配合物4的合成方法製備化合物配合物54,得紅色固體(1.3g,產率81%)。ESI-MS(
m/
z):859.2(M+1)。
實施例6-10
使用本發明的配合物發光材料製備電致發光器件,器件結構見圖1。
首先,將透明導電ITO玻璃基板10(上面帶有陽極20)依次經:洗滌劑溶液和去離子水,乙醇,丙酮,去離子水洗淨,再用氧等離子處理30秒。
然後,在ITO上蒸鍍10nm厚的HATCN作為空穴注入層30。
然後,蒸鍍化合物NPB,形成40nm厚的空穴傳輸層40。
然後,在空穴傳輸層上蒸鍍20nm厚的發光層50,發光層由實施例1-5中的配合物4(實施例6)、29(實施例7)、32(實施例8)、36(實施例9)或54(實施例10)(5%)分別與CBP(95%)混合摻雜組成。
然後,在發光層上蒸鍍10nm厚的BAlq作為空穴阻擋層60
然後,在空穴阻擋層上蒸鍍40nm厚的Alq
3作為電子傳輸層70。
最後,蒸鍍1nmLiF為電子注入層80和100nmAl作為器件陰極90。
實施例6-10及比較例中有機電致發光器件在10mA/cm
2電流密度下的器件性能列於表1:
表1
實施例 | 化合物 | 驅動電壓 | 發光效率 | 器件壽命(LT90) | 發光顏色 |
6 | 4 | 0.83 | 1.6 | 2.1 | 深紅光 |
7 | 29 | 0.83 | 1.3 | 2.0 | 深紅光 |
8 | 32 | 0.91 | 1.2 | 1.5 | 深紅光 |
9 | 36 | 0.76 | 1.3 | 2.1 | 近紅外 |
10 | 54 | 0.82 | 1.4 | 1.6 | 深紅光 |
對比例 | (pq) 2Ir(acac) | 1 | 1 | 1 | 紅光 |
備註:器件的性能測試以對比例作為參考,對比例中的各項指標設為1;LT90表示器件亮度衰減至初始亮度90%對應的時間。 |
由表1資料可以看出,相同條件下,應用本發明中的化合物製備的有機電致發光器件的效率均優於比較例,相比於常見的紅光材料(pq)
2Ir(acac),本發明的金屬配合物材料應用於有機電致發光器件,具有更低的驅動電壓,器件壽命也有很大程度改善,且發射深紅或近紅外光,更符合顯示產業對於發光材料的要求,具有良好的產業化前景。
實施例11
金屬配合物4、29、32、36和54在PMMA薄膜中和二氯甲烷溶液中的發光量子產率比值(
Ф PMMA/
Ф 溶液)列於表2:
表2
配合物 | 4 | 29 | 32 | 36 | 54 |
Ф PMMA/ Ф 溶液 | 1.2 | 1.3 | 1.6 | 1.8 | 1.9 |
Ф PMMA:配合物摻雜在PMMA(20%)中的發光量子產率; Ф 溶液:配合物在二氯甲烷溶液(1x10 -5M)中的發光量子產率。 |
通過表2的資料可以發現,本發明的金屬配合物在聚集態的量子產率高於在溶液中的量子產率。鉑配合物材料在聚集態下,由於濃度淬滅效應,發光量子產率通常較低。本發明的金屬配合物體現出了聚集誘導發光增強的性質,可見,本發明取得了預料不到的效果。
上述多種實施方案僅作為示例,不用於限制本發明範圍。在不偏離本發明精神的前提下,本發明中的多種材料和結構可以用其它材料和結構替代。應當理解,本領域的技術人員無需創造性的勞動就可以根據本發明的思路做出許多修改和變化。因此,技術人員在現有技術基礎上通過分析、推理或者部分研究可以得到的技術方案,均應在權利要求書所限制的保護範圍內。
10 玻璃基板
20 陽極
30 空穴注入層
40 空穴傳輸層
50 發光層
60 空穴阻擋層
70 電子傳輸層
80 電子注入層
90 陰極
圖1為本發明的有機電致發光器件結構圖。
10 玻璃基板
20 陽極
30 空穴注入層
40 空穴傳輸層
50 發光層
60 空穴阻擋層
70 電子傳輸層
80 電子注入層
90 陰極
Claims (14)
- 一種金屬配合物,為具有式(I)結構的化合物: (I) 其中: R 1、R 2、R 3、R 4、R 5、R 6、R 7、R 8、R 9、R 10、R 11、R 12和R 13各自獨立地選自:氫、氘、鹵素、取代或未取代的具有1-20個碳原子的烷基、取代或未取代的具有3-20個碳原子的環烷基、取代或未取代的具有1-20個碳原子的烷氧基、取代或未取代的具有6-30個碳原子的芳基、取代或未取代的具有3-30個碳原子的雜芳基或者氰基; Ar 1為至少包含兩個N原子和3-30個碳原子的雜芳香基團;Ar 2和Ar 3各自獨立地選自3-30個碳原子的芳香基團或者雜芳香基團,所述雜芳香基團中的雜原選自N、S、O原子; 所述取代為被氘、鹵素或1-8個碳原子的烷基所取代。
- 如請求項1所述的金屬配合物,其中,所述式(I)中,R 1、R 2、R 3、R 4、R 5、R 6、R 7、R 8、R 9、R 10、R 11、R 12和R 13分別選自:氫、氘、鹵素、取代或未取代的具有1-6個碳原子的烷基、取代或未取代的具有3-6個碳原子的環烷基、取代或未取代的具有1-6個碳原子的烷氧基、取代或未取代的具有6-12個碳原子的芳基、取代或未取代的具有3-12個碳原子的雜芳基或氰基; Ar 1為含2-4個雜原子和3-12個碳原子的雜芳香基團;Ar 2和Ar 3各自獨立地選自3-12個碳原子的芳香基團或者雜芳香基團,所述雜芳香基團中的雜原選自N、S、O原子; 所述取代為被氘或1-4個碳原子的烷基所取代。
- 如請求項2所述的金屬配合物,其中,所述式(I)中,R 1、R 2、R 3、R 4、R 5、R 6、R 7、R 8、R 9、R 10、R 11、R 12和R 13分別選自:氫、氘、取代或未取代的具有1-4個碳原子的烷基、取代或未取代的具有3-6個碳原子的環烷基;Ar 2和Ar 3各自獨立地選自5-10個碳原子芳香基團或者雜芳香基團。
- 如請求項1至5中任一項所述的金屬配合物,其中,Ar 2和Ar 3為相同芳香基團。
- 如請求項6所述的金屬配合物,其中,Ar 2和Ar 3選自苯或者萘單元基團。
- 如請求項7所述的金屬配合物,其中,R 1、R 2、R 3、R 4、R 5、R 6、R 7、R 8、R 9、R 10為氫,Ar 2和Ar 3為苯。
- 一種如請求項1至9中任一項所述的金屬配合物在有機光電子器件中的應用,所述有機光電子器件包含有機電致發光器件,有機薄膜電晶體,有機光伏器件,發光電化學池和化學感測器。
- 一種有機電致發光器件,包括陰極、陽極和有機層,所述有機層為空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、空穴阻擋層、電子注入層、電子傳輸層中的一層或多層,所述有機層中含有請求項1至9中任一項所述的金屬配合物。
- 如請求項12所述的有機電致發光器件,其中,請求項1至9中任一項所述的金屬配合物位於發光層或電子傳輸層。
- 如請求項12所述的有機電致發光器件,其中,所述有機層的總厚度為1-1000nm,所述有機層通過蒸渡或溶液法形成薄膜。
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