D−A型有机近红外材料的设计、合成及表征

近年来，随着近红外领域研究的深入，特别是光通讯工业的发展，迫切需要一大批具有良好发光性质的近红外材料。有机材料由于成本低、工艺简单和结构易调控等优点而备受关注。目前，对近红外有机发光材料的研究主要集中在两大类：一是稀土元素配合物；二是有机离子染料。但由于稀土元素的4f-4f跃迁是宇称禁阻的，其分子的激发需通过配体与中心离子的能量转移，发光效率低。同时有机离子染料由于静电相互作用，分子容易因聚集而导致发光萃灭，其器件结构主要采用主客体掺杂技术，存在着较强的主体材料发光和器件发光效率低等缺点。传统有机非离子型材料则不受上述因素的限制，可得到聚集态下高效的发光效率。本论文通过将电子给体与受体共轭连接，设计并合成了系列非离子型的窄带隙有机小分子，研究了它们在近红外电致发光等器件中的应用，主要工作内容和结果如下： (1)在分子内同时引入电子给体和受体，将它们共轭连接，设计并合成了系列D-π-A-π-D型的有机小分子，利用分子内电荷转移，实现近红外区域的吸收和发射。我们选择三苯胺和芴为电子给体，苯并双噻二唑及其衍生物为电子受体，苯、噻吩和吡咯为连接基团，得到的系列化合物的光谱及电化学性质能在很大的范围内进行调节。化合物的吸收光谱可从600nm至1400nm，发射光谱从900nm至1600nm范围内调节。化合物的带宽可从1.19eV减小到0.56eV。由于分子间的强相互作用，化合物在混合溶剂中可自组装成带状结构。同时该系列化合物在隔绝氧气的环境中有良好的光化学稳定性，可应用于电致发光或光伏器件中。 (2)多层器件结构是提高有机电致发光效率的有效方法，但前提是发光材料最好是可真空蒸镀。我们在前部分工作的基础上，合成了系列热稳定的可蒸镀型有机小分子。通过改变受体及给体结构可调节发光波长及效率。利用“掺杂剂/主体材料的思想”制备的电致发光器件，发光波长覆盖700nm到1500nm的范围，最长中心波长为1115nm。发光波长752nm时，器件最高外量子效率为1.12%。基于化合物IV-5制备的非掺杂器件，发光波长为1080nm，外量子效率为0.28%。该效率比基于有机离子染料的器件提高了近10倍。基于化合物IV-7的器件最大发射波长为1220nm，为迄今为止非掺杂有机电致发光器件中的最长发射波长。以上结果证明，该系列分子是良好的近红外电致发光材料。 (3)我们研究了含苯并双噻二唑分子与常见阴离子的相互作用关系，发现其只对CN-离子和F-离子有响应，而对其它阴离子如Cl , Br , I , AcO , H2PO4 , HSO4 , 和NO3 等则没有任何响应。并且通过将其中噻二唑环换成硝基，可实现对CN-离子和F-离子的区分。化合物V-2可高选择性的检测氰离子，其它离子的存在不会干扰检测信号，包括氟离子。检测信号为外观颜色的改变，可作为显色传感器。化合物V-3可定量检测CN-离子，检测极限为1μM。并且检测信号包括近红外发射的萃灭、可见发射的增强和吸收光谱的改变，多重检测信号可增加检测的可靠性。由于响应信号处于近红外区的生物波段，可应用于生物领域