CN101407493A - 一种有机材料及其在有机电致发光器件中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机材料和包含该材料的有机电致发光器件。该材料的结构通式如右所示,其中,Ar选自碳原子数为6至30的亚稠环芳烃,或选自碳原子数为6至30的亚稠杂环芳烃;R1-R8分别独立地选自氢原子、碳原子数为1至4的烷基、碳原子数为6至24的芳香基团、碳原子数为6至24的杂环芳香基;n选自2至4的整数。本发明的有机材料在有机电致发光器件中可用作电子传输层。

Description

一种有机材料及其在有机电致发光器件中的应用
技术领域
本发明涉及一种新型有机材料,及其在有机电致发光器件中的应用,属于有机电致发光显示技术领域。
背景技术
在电发光器件中传统使用的电子传输材料是Alq3,但Alq3的电子迁移率比较低(大约在10-6cm2/Vs)。为了提高电发光器件的电子传输性能,研究人员做了大量的探索性研究工作。Yang Yang等人在电发光器件中用纳米级碳酸铯作为电子传输和注入材料,提高了器件的发光效率(Advanced Functional Materials,2007,17,1966-1973)。曹镛等人合成出FFF-Blm4(结构见下)(J.Am.Chem.Soc.;(Communication);2008;130(11);3282-3283)作为电子传输和注入层材料(与Ba/Al和单独用A1作为阴极相比较),大大地改善了器件的电子注入和传输,提高了电发光效率;曹镛等人也用对空气及各种化
Figure A20081011367300181
FFF-Blm4的结构
学腐蚀都稳定的金作为高效电子注入型阴极材料,提高了电发光器件的电子注入能力(Organic Electronics,6(2005),118-128)。柯达公司在美国专利(公开号US2006/0204784和US 2007/0048545)中,提到混合电子传输层,采用一种低LUMO能级的材料与另一种低起亮电压的电子传输材料和其他材料如金属材料等掺杂而成。基于这种混合电子传输层的器件,效率和寿命等都得以提高,但是增加了器件制造工艺的复杂性,不利于降低OLED成本。开发稳定高效的电子传输材料和/或电子注入材料,从而降低起亮电压,提高器件效率,延长器件寿命,具有很重要的实际应用价值。
理想的电子传输材料,应该具有以下几方面的特性:具有可逆的电化学还原反应;HOMO和LUMO能级合适;电子迁移率高;成膜性好;Tg高;最好能够阻挡空穴。从化合物结构方面,要求分子构型接近平面,增加分子堆叠时分子之间的π-π相互作用,同时要求分子结构不能完全平面,防止因为分子结晶影响成膜性能;要求分子含有缺电子结构单元,具有良好的接受电子能力;分子量足够大,保证具有较高的Tg,从而具有良好的热稳定性,同时分子量不能太大,以利于真空蒸镀成膜。
含有吡啶基的化合物,是典型的缺电子体系,具有良好的接受电子能力;稠环芳烃的平面规整性较好,稠环体系越大,平面性越好,越有利于分子的π-π轨道堆叠和形成电子通道。但太大的稠环体系则易使分子形成结晶而不易成膜,因此本发明在稠环体系基础上引入苯环与缺电子的吡啶基相连,在空间立体上形成一定程度曲扭,增加其成膜性。考虑到真空蒸镀的难易及实用性能,本发明的电子传输材料其分子量一般不超过800。
基于以上考虑,本专利开发出一种新型有机材料,该材料具有良好的热稳定性,高电子迁移率,在有机电致发光器件中可用作电子传输层。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型的有机材料,其结构通式如下所示:
Figure A20081011367300191
其中,Ar选自碳原子数为6至30的亚稠环芳烃,或选自碳原子数为6至30的亚稠杂环芳烃;R1-R8分别独立地选自氢原子、碳原子数为1至4的烷基、碳原子数为6至24的芳香基团、碳原子数为6至24的杂环芳香基;n选自2至4的整数。
本发明的化合物结构通式具体如下所示:
Figure A20081011367300192
Figure A20081011367300201
其中,Ar选自碳原子数为6至30的亚稠环芳烃,或选自碳原子数为6至30的亚稠杂环芳烃;n选自2至4的整数。
上述通式中Ar优选自亚萘基、联亚萘基、亚蒽基、亚苝基、亚芘基、亚喹啉基、联亚喹啉基、
Figure A20081011367300202
、二苯并
Figure A20081011367300203
为了更清楚说明本发明内容,下面具体叙述本发明涉及到的化合物类型中的优选结构:
1、n是2时
Figure A20081011367300204
Figure A20081011367300211
Figure A20081011367300221
Figure A20081011367300231
Figure A20081011367300241
2、n是3时
Figure A20081011367300262
Figure A20081011367300271
Figure A20081011367300281
3、n是4时
本发明的有机材料在有机电致发光器件中用作电子传输层。
本发明还保护一种有机电致发光器件,其中包含一对电极和设置在该对电极之间的有机发光介质,该有机发光介质中至少包含一种选自如下结构通式的材料:
Figure A20081011367300291
其中,Ar选自碳原子数为6至30的亚稠环芳烃,或选自碳原子数为6至30的亚稠杂环芳烃;R1-R8分别独立地选自氢原子、碳原子数为1至4的烷基、碳原子数为6至24的芳香基团、碳原子数为6至24的杂环芳香基;n选自2至4的整数。
本发明的有机材料具有较高的电子迁移率,在有机电致发光显示器中可用作电子传输层。
附图说明
图1化合物1-1的空穴传输性能测定结果。
图2化合物1-1的电子传输性能测定结果。
图3用化合物1-1作为电子传输层制备的电发光器件的电发光效率图(参比Alq3,图中1-1表示化合物1-1)
图4用化合物1-1作为电子传输层制备的电发光器件的电压与电流密度关系图(参比Alq3,图中1-1表示化合物1-1)
具体实施方式
本发明的有机材料在合成过程中都用到了是从3-(对溴苯基)吡啶。
一、中间体3-(对溴苯基)吡啶及其硼酸的制备
1、3-吡啶硼酸的合成
Figure A20081011367300292
在Ar气保护下,将200ml甲苯和50mlTHF冷至-70℃,加入60ml的BuLi(浓度是2.86M,共0.171mol),在-70℃下缓慢滴加3-溴吡啶16.38ml(d=1.639,分子量157,共0.171mol)(用20ml甲苯稀释),搅拌半小时,自然升温至-30℃左右。重新冷至-70℃,滴加46ml三异丙基硼酸酯(d=0.815,分子量188,共0.199mol),自然升温搅拌2小时后温度升至10℃。
加入160ml2.7N的HCl,搅拌,分液,收集水层。有机层用50ml2.7N的HCl提取一次,20ml水再提取一次,合并水层。用浓NaOH中和至pH=7时有大量淡白微黄色沉淀析出,过滤,烘干,得到16.8g淡白微黄色固体产物,产率79.87%,纯度93.68%。
如果用2-甲基-5-溴吡啶代替3-溴吡啶,可得到相应的2-甲基-5-吡啶硼酸白色固体产物。
2、3-吡啶硼酸嚬哪醇酯的合成
Figure A20081011367300301
在15g3-吡啶硼酸中加入15g的嚬哪醇和300ml的甲苯,回流分水,大约用3小时。蒸干甲苯后在固体中加入70ml石油醚回流15分钟,彻底冷却,淡白色固体产物析出,过滤,烘干,得到21.7g产物,产率86.8%,纯度98.7%。
3、3-(4-溴苯基)吡啶的合成
Figure A20081011367300302
在氮气保护下,在一反应瓶中依次加入4.10g克3-吡啶硼酸嚬哪醇酯(分子量205,共0.02mol),5.66g对溴碘苯(分子量282.9,共0.02mol),0.266g克氯化钯(分子量177.4,共0.0015mol),0.9825克三苯基膦(分子量262,共0.00375mol),6.36g碳酸钠,32毫升甲苯,32毫升95%乙醇,16毫升水。搅拌升温至回流,用TLC板监控反应过程。反应4小时后,稍降温,加入100ml甲苯,过滤除去催化剂,20ml甲苯洗固体。分液,有机层用水洗之,水层再用乙酸乙酯提取一次。合并有机层,蒸干,加入100毫升水,20ml浓HCl,充分摇动,产物转入水层,用乙酸乙酯将不溶于酸的杂质提出,分液。水层用NaOH中和至pH=8以上,用乙酸乙酯提取产物。蒸干,得到油状产物3.13g,产率67.17%,纯度97.70%。
4、3-(3-溴苯基)吡啶的合成
在氮气保护下,在一反应瓶中依次加入4.10g克3-吡啶硼酸嚬哪醇酯(分子量205,共0.02mol),5.66g间溴碘苯(分子量282.9,共0.02mol),0.266g克氯化钯(分子量177.4,共0.0015mol),0.9825克三苯基膦(分子量262,共0.00375mol),6.36g碳酸钠,32毫升甲苯,32毫升95%乙醇,16毫升水。搅拌升温至回流,用TLC板监控反应过程。反应4小时后,稍降温,加入100ml甲苯,过滤除去催化剂,20ml甲苯洗固体。分液,有机层用水洗之,水层再用乙酸乙酯提取一次。合并有机层,蒸干,加入100毫升水,20ml浓HCl,充分摇动,产物转入水层,用乙酸乙酯将不溶于酸的杂质提出,分液。水层用NaOH中和至pH=8以上,用乙酸乙酯提取产物。蒸干,得到油状产物3.96g,产率85.52%,纯度94.61%,用柱色谱提纯(用乙酸乙酯/石油醚=1/2淋洗),得到3.78g淡黄色油状产物,纯度96.78%。
5、4-(3-吡啶基)苯硼酸的合成
Figure A20081011367300312
Ar气保护下,在一500mL三口瓶中加入160ml的无水乙醚,冷至-78℃,搅拌下加入25ml的BuLi(浓度2.9M,0.0725mol),将3-(4-溴苯基)吡啶11.7g(含量97.70%,分子量234,共0.0488mol)溶于200ml乙醚中的溶液在-78℃下滴加其中。加毕后,搅拌1小时,自然升温至-20℃。再次冷却至-78℃,滴加10ml(0.111mol)硼酸三甲酯,自然搅拌升温至室温,再在室温下搅拌30min。用50ml的0.5M的NaOH和50ml水分3次水解和提取生成的芳基硼酸钠,合并提取液,如果有有机乙醚杂质进入水层,可用乙醚反提取。水层用浓HCl中和至pH=6,有大量白色芳基硼酸析出。过滤,烘干,得到5.0g产物。产率51.22%,纯度92.39%。
6、3-(3-吡啶基)苯硼酸的合成
合成过程同5,得到4.5g产物。产率46.10%,纯度94.30%。
二、实施例
实施例1化合物1-1的合成
Figure A20081011367300322
Ar气保护下,在一500mL三口瓶中加入3-(4-溴苯基)吡啶3.42g(分子量234,0.01385mol),50ml的THF,冷至-78℃,搅拌下加入5.35ml(浓度2.8M,0.014mol)的BuLi(用20ml的THF溶解),用30min加完,溶液呈黑色,在-78℃下搅拌30min。
在-78℃下将蒽醌1.25g(0.0058mol)固体加入其中,补加20mlTHF。加毕后,自然搅拌升温至室温,再在室温下搅拌2hr。加入200ml的水,搅拌。用乙酸乙酯提取,蒸干乙酸乙酯。固体中加入45ml乙酸,4.2gKI,4.2g次亚磷酸钠。搅拌下加热回流,溶液很快由棕色变红,再变米黄,沉淀。搅拌1hr后,过滤,用乙酸洗,水洗,30%乙醇水搅拌洗剂,过滤烘干,得到淡黄色固体2.8g,纯度97.68%,产率约100%。
产物MS(m/e):484;元素分析(C36H24N2):理论值C:89.23%,H:4.99%,N:5.78%;实测值C:89.20%,H:4.97%,N:5.83%。
化合物1-21的合成与此相同,只是将原料中的3-(4-溴苯基)吡啶换为3-(3-溴苯基)吡啶即可,产物为淡黄色固体。
实施例2化合物1-3的合成
Figure A20081011367300331
反应过程同于实施例1,只是将原料蒽醌换为2-苯基蒽醌,得到淡黄色固体产物。
产物MS(m/e):560;元素分析(C42H28N2):理论值C:89.97%,H:5.03%,N:5.00%;实测值C:89.95%,H:5.01%,N:5.04%。
实施例3化合物1-5的合成
(1)类蒽醌结构的合成
Figure A20081011367300332
在一反应瓶中加入10gN-苯基-2,5-二甲基吡咯,2g无水AlCl3(分子量133,0.015mol),搅拌,保持温度在80℃左右,缓慢滴加1.06g邻苯二甲酸酐(分子量148,0.007mol)。加毕保温搅拌2小时。稍冷后立即倒入含少许HCL的冰水中,得到的固体产物水洗二次,柱色谱分离得到目标中间体1.75g,产率80.0%,Ms分析319,符合。
将上述1.75g产物加入一干燥反应瓶中,再加入6g浓硫酸,搅拌下加热至145℃左右保温1小时,再在170℃左右保温4小时。稍冷后于搅拌下倾入碎冰中,过滤,水洗,碱水洗,水洗,干燥。得到黄色固体产物1.52g,产率90.0%。
产物MS(m/e):301;元素分析(C20H15NO2):理论值C:79.72%,H:5.02%,N:4.65%,O:10.62%;实测值C:79.80%,H:5.01%,N:4.58%。
(2)化合物1-5的合成
反应过程同于实施例1,只是将原料蒽醌换为上述类蒽醌结构化合物,得到黄色固体产物。
产物MS(m/e):577;元素分析(C42H28N2):理论值C:87.32%,H:5.41%,N:7.27%;实测值C:87.28%,H:5.50%,N:7.22%。
实施例4化合物1-7的合成
(1)类蒽醌结构的合成
Figure A20081011367300342
合成方法同于实施例3(1),只是将原料N-苯基-2,5-二甲基吡咯换为2,5-二甲基噻吩,得到黄色固体产物。
(2)化合物1-7的合成
Figure A20081011367300351
合成方法同于实施例1,只是将原料蒽醌换为实施例4(1)产物,得到黄色固体产物。
产物MS(m/e):518;元素分析(C36H26N2S):理论值C:83.36%,H:5.05%,N:5.40%,S:6.18%;实测值C:83.38%,H:5.020%,N:5.42%。
化合物1-8,1-9,和1-10都可用同样方法合成,只是根据产物结构的不同,更换起始原料。
实施例5化合物1-11的合成
(1)1,4-二溴-2,3-二氨基萘的合成
(2)4,9-二溴-萘并噻二唑合成
Figure A20081011367300352
在N2保护下,在一三口瓶中,加30ml氯仿、12ml吡啶和5ml亚硫酰氯(0.067mol),冰浴冷却。在剧烈搅拌下,滴加3.2g(0.01mol)A在100ml氯仿中的溶液,溶液变为棕红色,约0.5h滴完。滴加完毕,在冰浴冷却下搅拌1h,室温搅拌2h,回流搅拌2h。反应完毕,旋干所有溶剂,得褐色固体。用甲苯/石油醚(1/1)为淋洗剂,柱色谱分离得橙红色固体B,HPLC分析95.6%,产率:71.4%。
(2)化合物1-11的合成
Figure A20081011367300361
在一三口瓶上安装回流冷凝管和氮气保护装置。在氮气保护下加入:1g(2.76mmol)4,9-二溴-萘并噻二唑、1.37g(6.9mmol)4-(3-吡啶基)苯硼酸、0.097g(0.276×2mmol)PdCl2、0.289g(0.276×4mmol)PPh3、4.57g(2.76×12mmol)K2C03。用水泵抽气换气五次后,加入45ml水、30ml乙醇和48ml甲苯。用水泵抽气换气五次后,在氮气保护下回流反应24h。
放至室温后将反应瓶置冰箱冷冻4h以上。抽滤,固体用水、热水洗,烘干固体。固体用甲苯溶解,加热,热过滤。滤液浓缩后置冰箱冷冻,过滤得红色固体产物。
产物MS(m/e):492;元素分析(C32H20N4S):理论值C:78.02%,H:4.09%,N:11.37%,S:6.51%;实测值C:78.05%,H:3.92%,N:11.40%。
实施例6化合物1-13的合成
Figure A20081011367300362
合成方法同于实施例5(2),只是将原料4,9-二溴-萘并噻二唑换为2,3-二苯基-4,9-二溴苯并〔1,2-g〕喹喔啉,得到黄色固体产物。
产物MS(m/e):638;元素分析(C46H30N4):理论值C:86.49%,H:4.73%,N:8.77%;实测值C:86.50%,H:4.77%,N:8.72%。
实施例7化合物1-15的合成
Figure A20081011367300371
合成方法同于实施例5(2),只是将原料4,9-二溴-萘并噻二唑换为5,5’-二溴8,8’联喹啉,得到淡黄色固体产物。
产物MS(m/e):562;元素分析(C40H26N4):理论值C:85.38%,H:4.66%,N:9.96%;实测值C:85.49%,H:4.53%,N:9.98%。
实施例8化合物1-17的合成
Figure A20081011367300372
合成方法同于实施例5(2),只是将原料4,9-二溴-萘并噻二唑换为2,7-二溴芘,得到微黄色固体产物。
产物MS(m/e):508;元素分析(C38H24N2):理论值C:89.74%,H:4.76%,N:5.50%;实测值C:89.79%,H:4.70%,N:5.51%。
实施例9化合物1-19的合成
Figure A20081011367300373
合成方法同于实施例5(2),只是将原料4,9-二溴-萘并噻二唑换为6,12-二溴chrysene,得到微黄色固体产物。
产物MS(m/e):534;元素分析(C40H26N2):理论值C:89.86%,H:4.90%,N:5.24%;实测值C:89.82%,H:4.86%,N:5.32%。
实施例10化合物2-1的合成
Figure A20081011367300381
合成方法同于实施例5(2),只是将原料4,9-二溴-萘并噻二唑换为3,5,8-三溴喹啉,得到黄色固体产物。
产物MS(m/e):588;元素分析(C42H28N4):理论值C:85.69%,H:4.79%,N:9.52%;实测值C:85.63%,H:4.82%,N:9.55%。
本发明中的其余化合物,例如化合物2-2、化合物2-3、化合物2-4、化合物3-1等都是选用相应的多溴代物,用这种方法合成。
本发明中3-(3-吡啶基)苯基衍生物的合成,例如化合物1-21至化合物1-28、化合物2-5至化合物2-7,化合物3-2等,与上面合成方法相同,只是将原料中的3-(4-溴苯基)吡啶换为3-(3-溴苯基)吡啶即可。
下面是本发明化合物的应用实施例:
实施例11:测定化合物1-1的空穴传输性能
用蒸镀的固体膜方法测定,电压为20V,空穴迁移率1.07*10-3cm2/Vs,具体测定结果见附图1。
实施例12:测定化合物1-1的电子传输性能
用蒸镀的固体膜方法测定,电压为20V,电子迁移率8.22*10-3cm2/Vs,具体测定数据见附图2。
制备器件的优选实施方式:
OLED器件的典型结构为:基片/阳极/空穴传输层(HTL)/有机发光层(EL)/电子传输层(ETL)/阴极。
基片可以使用传统有机发光器件中的基板,例如:玻璃或塑料。阳极材料可以采用透明的高导电性材料,例如铟锡氧(ITO),铟锌氧(IZO),二氧化锡(SnO2),氧化锌(ZnO)等。在本发明的器件制作中选用玻璃基板,ITO作阳极材料。
空穴传输层可以采用N,N’-二(3-甲苯基)-N,N’-二苯基-[1,1-联苯基]-4,4’-二胺(TPD)或N,N’-二苯基-N,N’-二(1-萘基)-(1,1’-联苯基)-4,4’-二胺(NPB)等三芳胺类材料。在本发明的器件制作中所选用的空穴传输材料是NPB。
器件结构可以为单发光层也可以是多发光层结构;每层发光层可以为单发光体发光材料结构也可以是掺杂结构;发光染料可以选用荧光材料也可以选用磷光材料;发光颜色不限,可以为如红、黄、蓝、绿等。在本发明的器件制作中所选用的发光材料是BH04。
电子传输层材料通常使用Alq3,在本发明的器件制作中使用化合物1-1,同时也使用Alq3作为比较。
阴极可以采用金属及其混合物结构,如Mg:Ag、Ca:Ag等,也可以是电子注入层/金属层结构,如LiF/Al、Li2O等常见阴极结构,其中电子注入层可以为碱金属、碱土金属、过渡金属的单质、化合物或混合物,也可以是多层材料构成的复合阴极结构。在本发明的器件制作中所选用阴极材料是Mg:Ag/Ag。
本发明中用的几种材料见下:
Figure A20081011367300391
Figure A20081011367300401
实施例11电发光器件的制备及结果
制备OLED-1:将涂布了ITO透明导电层的玻璃板在商用清洗剂中超声处理,在去离子水中冲洗,在丙酮:乙醇混合溶剂中超声除油,在洁净环境下烘烤至完全除去水份,用紫外光和臭氧清洗,并用低能阳离子束轰击表面。
把上述带有阳极的玻璃基片置于真空腔内,抽真空至1×10-5~9×10-3Pa,在上述阳极层膜上真空蒸镀NPB作为空穴传输层,蒸镀速率为0.1nm/s,蒸镀膜厚为50nm;
在空穴传输层之上真空蒸镀一层NNPA作为器件的发光层,其蒸镀速率为0.1nm/s,蒸镀总膜厚为50nm;
在发光层之上真空蒸镀一层化合物1-1(或Alq3)作为器件的电子传输层,其蒸镀速率为0.1nm/s,蒸镀总膜厚为50nm;
在电子传输层上依次真空蒸镀Mg:Ag合金层和Ag层作为器件的阴极,其中Mg:Ag合金层的的掺杂比为10∶1,厚度为100nm,Ag层的蒸镀速率为0.3nm/s,厚度为50nm。
器件性能见表1以及附图3和附图4,(器件结构:ITO/NPB/A/Mg:Ag/Ag,A的组成见下表,x和y表示器件的色坐标,EQE%表示外量子效率):
Figure A20081011367300402
Figure A20081011367300411
由表1可以看出,与Alq3相比,在电子传输层采用化合物1-1时,亮度达到1000cd/m2时的电压较低,电流效率、流明效率和外量子效率都较高,色坐标没有发生红移。以上结果表明,本发明的新型有机材料在有机电致发光器件中可以优选用作电子传输层。
尽管结合实施例对本发明进行了说明,但本发明并不局限于上述实施例和附图,应当理解,在本发明构思的引导下,本领域技术人员可进行各种修改和改进,所附权利要求概括了本发明的范围。

Claims (7)

1、一种有机材料,其结构通式如下所示:
Figure A2008101136730002C1
其中,Ar选自碳原子数为6至30的亚稠环芳烃,或选自碳原子数为6至30的亚稠杂环芳烃;R1-R8分别独立地选自氢原子、碳原子数为1至4的烷基、碳原子数
为6至24的芳香基团、碳原子数为6至24的杂环芳香基;n选自2至4的整数。
2、根据权利要求1的有机材料,其特征在于,其结构通式如下所示:
其中,Ar选自碳原子数为6至30的亚稠环芳烃,或选自碳原子数为6至30的亚稠杂环芳烃;n选自2至4的整数。
3、根据权利要求1或2的有机材料,其特征在于,Ar优选自亚萘基、联亚萘基、亚蒽基、亚苝基、亚芘基、亚喹啉基、联亚喹啉基、
Figure A2008101136730002C3
二苯并
Figure A2008101136730002C4
4、根据权利要求1或2的有机材料,其特征在于,优选的化合物如下所示:
Figure A2008101136730003C1
Figure A2008101136730004C1
Figure A2008101136730005C1
Figure A2008101136730006C1
Figure A2008101136730007C1
Figure A2008101136730008C1
5、权利要求1所述的有机材料在有机电致发光器件中用作电子传输层。
6、一种有机电致发光器件,其中包含一对电极和设置在该对电极之间的有机发光介质,该有机发光介质中至少包含一种选自权利要求1所述的材料。
7、根据权利要求6所述的有机电致发光器件,其特征在于,该有机发光介质中至少包含一种选自下述结构的化合物作为电子传输材料:
Figure A2008101136730010C1
Figure A2008101136730011C1
Figure A2008101136730013C1
Figure A2008101136730015C1
Figure A2008101136730016C1
Figure A2008101136730017C1
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