一种以三嗪为核心的有机化合物及其应用
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,尤其是涉及一种以三嗪为核心的化合物材料及其在OLED领域的应用。
背景技术
有机电致发光(OLED:Organic Light Emission Diodes)器件技术既可以用来制造新型显示产品,也可以用于制作新型照明产品,有望替代现有的液晶显示和荧光灯照明,应用前景十分广泛。OLED发光器件犹如三明治的结构,包括电极材料膜层,以及夹在不同电极膜层之间的有机功能材料,各种不同功能材料根据用途相互叠加在一起共同组成OLED发光器件。作为电流器件,当对OLED发光器件的两端电极施加电压,并通过电场作用有机层功能材料膜层中的正负电荷,正负电荷进一步在发光层中复合,即产生OLED电致发光。
当前,OLED显示技术已经在智能手机,平板电脑等领域获得应用,进一步还将向电视等大尺寸应用领域扩展,但是,和实际的产品应用要求相比,OLED器件的发光效率,使用寿命等性能还需要进一步提升。对于OLED发光器件提高性能的研究包括:降低器件的驱动电压,提高器件的发光效率,提高器件的使用寿命等。为了实现OLED器件的性能的不断提升,不但需要从OLED器件结构和制作工艺的创新,更需要OLED光电功能材料不断研究和创新,创制出更高性能OLED的功能材料。
应用于OLED器件的OLED光电功能材料从用途上可划分为两大类,即电荷注入传输材料和发光材料,进一步,还可将电荷注入传输材料分为电子注入传输材料、电子阻挡材料、空穴注入传输材料和空穴阻挡材料,还可以将发光材料分为主体发光材料和掺杂材料。为了制作高性能的OLED发光器件,要求各种有机功能材料具备良好的光电特性,譬如,作为电荷传输材料,要求具有良好的载流子迁移率,高玻璃化转化温度等,作为发光层的主体材料要求材料具有良好双极性,适当的HOMO/LUMO能阶等。
构成OLED器件的OLED光电功能材料膜层至少包括两层以上结构,产业上应用的OLED器件结构,则包括空穴注入层、空穴传输层、电子阻挡层、发光层、空穴阻挡层、电子传输层、电子注入层等多种膜层,也就是说应用于OLED器件的光电功能材料至少包含空穴注入材料,空穴传输材料,发光材料,电子传输材料等,材料类型和搭配形式具有丰富性和多样性的特点。另外,对于不同结构的OLED器件搭配而言,所使用的光电功能材料具有较强的选择性,相同的材料在不同结构器件中的性能表现,也可能完全迥异。
因此,针对当前OLED器件的产业应用要求,以及OLED器件的不同功能膜层,器件的光电特性需求,必须选择更适合,具有高性能的OLED功能材料或材料组合,才能实现器件的高效率、长寿命和低电压的综合特性。就当前OLED显示照明产业的实际需求而言,目前OLED材料的发展还远远不够,落后于面板制造企业的要求,作为材料企业开发更高性能的有机功能材料显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有OLED器件中的有机材料的不足,本发明申请人提供了一种以三嗪为核心的有机化合物及其应用。本发明化合物具有较高的玻璃化温度、深的HOMO能级和合适的LUMO能级,可有效阻挡空穴或能量从发光层传递至电子层一侧,提升空穴和电子在发光层的复合效率,降低器件启亮电压。
本发明的技术方案如下:
一种以三嗪为核心的有机化合物,所述的化合物结构式由通式(1)表示:
通式(1)中,所述Ar1、Ar2分别独立地表示为通式(2)、通式(3)或通式(4)所示的结构;
通式(2)中,X1、X2、X3、X4、X5分别独立地表示为N原子或CH,且X1、X2、X3、X4、X5中至少1个表示为N原子,且至多2个表示为N原子;
通式(1)中,m、n分别独立地表示为1或2。
所述通式(1)所示化合物的具体结构如下:
一种制备所述有机化合物的方法,所述制备过程中发生的反应方程式如下:
具体制备过程为:
(1)通过反应I制备中间体D:
将原料A、原料B-I和原料C-I溶于甲苯/水的混合溶液中,充分除氧后升温至90~130℃反应12~24小时;反应结束后冷却至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体D;其中,甲苯与水的体积比为5:1;原料B-I与原料A的摩尔比为1.1~2.3:1;原料C-I与原料A的摩尔比为1.1~2.3:1;Pd(PPh3)4与原料A的摩尔比为0.06~0.045:1;碳酸钾与原料A的摩尔比为2.0~4.5:1;
或通过反应II制备中间体D:
将原料A、原料B-II和原料C-II溶解于500mL甲苯中,用氮气充分除氧后加入Pd2(dba)3和叔丁醇钾,100℃反应24小时;反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体D;其中,原料B-II与原料A的摩尔比为1.1~2.3:1;原料C-II与原料A的摩尔比为1.1~2.3:1;Pd2(dba)3与原料A的摩尔比为0.06~0.015:1;叔丁醇钾与原料A的摩尔比为2.0~4.5:1;
(2)制备中间体E:
将中间体D和双(频哪醇根基)二硼溶于甲苯/水的混合溶液中,升温至90~130℃反应12~24小时;反应结束后冷却至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体E;其中,甲苯与水的体积比为5:1;双(频哪醇根基)二硼与中间体D的摩尔比为1.1~1.3:1;Pd(PPh3)4与中间体D的摩尔比为0.03~0.08:1;碳酸钾与中间体D的摩尔比为1.1~1.3:1;
(3)将中间体E和原料F溶于甲苯/水的混合溶液中,用氮气充分除氧后升温至90~130℃反应12~24小时;反应结束后冷却至室温,分液,干燥,柱层析得到目标化合物;其中,甲苯与水的体积比为5:1;原料F与中间体E的摩尔比为1.1~1.3:1;Pd(PPh3)4与中间体E的摩尔比为0.03~0.08:1;碳酸钾与中间体E的摩尔比为1.1~1.3:1。
一种含有所述有机化合物的有机电致发光器件,包含空穴阻挡/电子传输层,所述的空穴阻挡/电子传输层中含有所述以三嗪为核心的化合物。
一种含有所述有机化合物的有机电致发光器件,包含发光层,所述发光层中含有所述以三嗪为核心的化合物。
一种所述有机电致发光器件制成的照明或显示元件。
本发明提供的化合物材料的有益效果是:
本发明的化合物以芴为母核,连接吡啶并吲哚基团,破坏了分子对称性,避免分子间的聚集作用,具有分子间不易结晶、不易聚集、具有良好成膜性的特点,具有高的玻璃化温度及热稳定性,所以,本发明化合物应用于OLED器件时,可保持材料成膜后的膜层稳定性,提高OLED器件使用寿命,在OLED发光器件中具有良好的应用效果,具有良好的产业化前景。
本发明化合物含有吸电子能力强的三嗪基团,能够降低化合物的HOMO能级。本发明化合物HOMO能级在-6.5~-7.0eV左右,明显低于传统的电子传输层材料,可以有效阻挡来自发光层的空穴,提高发光层空穴和电子的复合率,从而提高器件的发光效率;同时,合适的LUMO能级使得电子从电子传输层到发光层注入变的容易,降低器件的启亮电压。
附图说明
图1为本发明所列举的材料应用于OLED器件的结构示意图;
其中,1、透明基板层,2、ITO阳极层,3、空穴注入层,4、空穴传输层,5、发光层,6、空穴阻挡/电子传输层,7、电子注入层,8、阴极反射电极层;
图2为有机电致发光器件能级图;
图3为器件在不同温度下测量的效率曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特性进行描述,所举的实施例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
实施例1:化合物2的合成
将0.03mol的原料A-1和0.06mol原料B-1溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.003mol的Pd(PPh3)4和0.08mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体D-1;
将0.02mol的原料D-1和0.02mol双(频哪醇根基)二硼溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.002mol的Pd(PPh3)4和0.03mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体E-1;
将0.01mol的原料E-1和0.01mol的原料F-1溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.0015mol的Pd(PPh3)4和0.015mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到化合物2,纯度:99.6%,收率:58%;
元素分析结构(分子式C50H31N5):理论值C,85.57;H,4.45;N,9.98;测试值:C,85.61;H,4.44;N,9.95。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为701.83,实测值为701.56。
实施例2:化合物11的合成
化合物11和合成步骤与化合物2的合成步骤类似,不同之处在于采用原料A-2和原料B-2替换原料A-1和原料B-1。
元素分析结构(分子式C48H29N7):理论值C,81.92;H,4.15;N,13.93;测试值:C,81.95;H,4.14;N,13.92。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为703.81,实测值为703.84。
实施例3:化合物21的合成
将0.03mol的原料A-2和0.06mol原料B-3溶解于甲苯(500mL)中,用氮气充分除氧后加入0.003mol的Pd2(dba)3和0.08mol叔丁醇钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体D-3;
将0.02mol的原料D-3和0.02mol双(频哪醇根基)二硼溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.002mol的Pd(PPh3)4和0.03mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体E-3;
将0.01mol的原料E-3和0.01mol的原料F-1溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.0015mol的Pd(PPh3)4和0.015mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到化合物21,纯度:99.6%,收率:61%;
元素分析结构(分子式C66H41N7):理论值C,85.05;H,4.43;N,10.52;测试值:C,85.01;H,4.45;N,10.53。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为932.10,实测值为932.56。
实施例4:化合物28的合成
化合物28和合成步骤与化合物2的合成步骤类似,不同之处在于采用原料A-2、原料B-4和原料F-2替换原料A-1、原料B-1和原料F-1。
元素分析结构(分子式C50H31N5):理论值C,85.57;H,4.45;N,9.98;测试值:C,85.52;H,4.48;N,9.95。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为701.83,实测值为701.39。
实施例5:化合物34的合成
化合物37和合成步骤与化合物2的合成步骤类似,不同之处在于采用原料A-2、原料B-2和原料F-2替换原料A-1、原料B-1和原料F-1。
元素分析结构(分子式C48H29N7):理论值C,81.92;H,4.15;N,13.93;测试值:C,81.94;H,4.15;N,13.91。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为703.81,实测值为703.89。
实施例6:化合物41的合成
将0.03mol的原料A-3和0.12mol原料B-2溶解于甲苯/水(500mL/100mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.006mol的Pd(PPh3)4和0.15mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体D-5;
将0.02mol的原料D-5和0.02mol双(频哪醇根基)二硼溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.002mol的Pd(PPh3)4和0.03mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到中间体E-5;
将0.01mol的原料E-5和0.01mol的原料F-2溶解于甲苯/水(250mL/50mL)的混合溶剂中,用氮气充分除氧后加入0.0015mol的Pd(PPh3)4和0.015mol碳酸钾,100℃反应24小时。反应结束后恢复至室温,分液,干燥,柱层析得到化合物41,纯度:99.6%,收率:53%;
元素分析结构(分子式C50H31N5):理论值C,78.22;H,3.87;N,17.92;测试值:C,78.25;H,3.89;N,17.90。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为859.96,实测值为860.32。
实施例7:化合物57的合成
化合物57和合成步骤与化合物2的合成步骤类似,不同之处在于采用原料A-2、原料B-2和原料F-3替换原料A-1、原料B-1和原料F-1。
元素分析结构(分子式C48H29N7):理论值C,81.92;H,4.15;N,13.93;测试值:C,81.93;H,4.16;N,13.90。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为703.81,实测值为703.54。
实施例8:化合物66的合成
化合物66和合成步骤与化合物21的合成步骤类似,不同之处在于采用原料A-1和原料F-3替换原料A-2和原料F-1。
元素分析结构(分子式C66H41N7):理论值C,85.05;H,4.43;N,10.52;测试值:C,85.03;H,4.44;N,10.54。ESI-MS(m/z)(M+):理论值为932.10,实测值为932.25。
本发明化合物在有机电致发光器件中,作为空穴阻挡/电子传输层。对本发明化合物性能测试,测试结果如表1所示:
表1
化合物 |
Tg(℃) |
HOMO能级(eV) |
LUMO能级(eV) |
T1能级(eV) |
化合物2 |
143 |
-6.65 |
-2.81 |
2.75 |
化合物11 |
150 |
-6.62 |
-2.85 |
2.83 |
化合物21 |
141 |
-6.68 |
-2.82 |
2.73 |
化合物28 |
138 |
-6.71 |
-2.86 |
2.90 |
化合物34 |
146 |
-6.64 |
-2.84 |
2.78 |
化合物41 |
150 |
-6.59 |
-2.85 |
2.80 |
化合物57 |
148 |
-6.72 |
-2.88 |
2.76 |
化合物66 |
143 |
-6.68 |
-2.83 |
2.81 |
TPBI |
121 |
-6.44 |
-3.32 |
2.52 |
注:三线态能级T1是由日立的F4600荧光光谱仪测试,材料的测试条件为2*10-5的甲苯溶液;玻璃化温度Tg由示差扫描量热法(DSC,德国耐驰公司DSC204F1示差扫描量热仪)测定,升温速率10℃/min;最高占据分子轨道HOMO能级是由电离能量测试系统(IPS3)测试,测试为大气环境;最低空轨道LUMO能级是根据公式ELUMO=EHOMO+Eg计算得出,其中Eg根据UV吸收谱图得出。
由上表数据可知,本发明的有机化合物与传统电子传输层材料TPBI相比有更低的HOMO能级,能够有效地阻挡住来自发光层方向的空穴,使得空穴和电子在发光层复合的更好,提高器件的效率(如图2,器件能级结构图所示);LUMO能级在范围,与发光层LUMO能级势垒较小,不仅能有效地传递电子还能降低器件的启亮电压;本发明的有机化合物具有较高的三线态能级及较高的热稳定性,使得所制作的含有本发明有机化合物的OLED器件效率和寿命均得到提升。
器件实施例1
一种含有所述以三嗪为核心的化合物的有机电致发光器件,所述有机电致发光器件通过下述步骤制得:
a)清洗透明基板层1上的ITO阳极层2,分别用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗各15分钟,然后在等离子体清洗器中处理2分钟;
b)在ITO阳极层2上,通过真空蒸镀方式蒸镀空穴注入层材料HAT-CN,厚度为10nm,这层作为空穴注入层3;
c)在空穴注入层3上,通过真空蒸镀方式蒸镀空穴传输材料NPB,厚度为60nm,该层为空穴传输层4;
d)在空穴传输层4之上蒸镀发光层5,使用CBP作为主体材料,Ir(ppy)3作为掺杂材料,Ir(ppy)3和CBP的质量比为10:90,厚度为30nm;
e)在发光层5之上,通过真空蒸镀方式蒸镀本发明化合物2,厚度为40nm,这层有机材料作为空穴阻挡/电子传输层6使用;
f)在空穴阻挡/电子传输层6之上,真空蒸镀电子注入层LiF,厚度为1nm,该层为电子注入层7;
g)在电子注入层7之上,真空蒸镀阴极Al(100nm),该层为阴极反射电极层8。
相关材料的分子结构式如下所示:
器件比较例1:电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为TPBI,电致发光器件的发光层主体材料为公知化合物CBP,掺杂材料为Ir(ppy)3,Ir(ppy)3和CBP的质量比为10:90。
上述电致发光器件的制作后,测量器件的电流效率和寿命,其结果见表2所示。
表2
器件 |
启亮电压(V) |
发光效率(cd/A) |
寿命(LT95,h) |
CIE(x,y) |
器件实施例1 |
3.8 |
46.5 |
38.5 |
(0.34,0.66) |
器件比较例1 |
4.9 |
28 |
10.5 |
(0.35,0.67) |
注:寿命测试系统为本发明所有权人与上海大学共同研究的OLED器件寿命测试仪。
从表2可以看到,与器件比较例1相比,器件实施例1具有更高的效率,这是由于化合物的2的HOMO能级达到了-6.85eV,而传统电子传输材料TPBI的HOMO能级为-6.44eV,因此化合物2能够有效地阻挡住空穴,提高空穴与电子在发光层的复合率,从而提高了器件的发光效率。同时,由于化合物2的LUMO能级为-2.81eV,与发光层的能级势垒更低,更有利于电子从空穴阻挡/电子传输层向发光层注入,因此器件实施例1的启亮电压比器件比较例1低了1.1V,由于化合物2的玻璃化转变温度达到了143℃,这是器件实施例寿命较长的主要原因。
器件实施例2-8的制备工艺与器件实施例1的完全相同,不同之处是空穴阻挡/电子传输层材料发生了变化。
器件实施例2
器件实施例2与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例2电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物11。
器件实施例3
器件实施例3与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例3电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物21。
器件实施例4
器件实施例4与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例4电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物28。
器件实施例5
器件实施例5与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例5电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物34。
器件实施例6
器件实施例6与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例6电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物41。
器件实施例7
器件实施例7与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例7电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物57。
器件实施例8
器件实施例8与器件实施例1相比所述器件的制作工艺完全相同,并且所采用了相同的基板材料和电极材料,电极材料的膜厚也保持一致,所不同的是,器件实施例8电致发光器件的空穴阻挡/电子传输层材料为本发明化合物66。
器件实施例2-8的器件数据结果见表3所示。
表3
器件 |
启亮电压(V) |
发光效率(cd/A) |
寿命(LT95,h) |
CIE(x,y) |
器件实施例2 |
3.8 |
44.6 |
48.3 |
(0.34,0.64) |
器件实施例3 |
4.1 |
48.2 |
49.5 |
(0.33,0.66) |
器件实施例4 |
3.9 |
50.1 |
42.6 |
(0.35,0.65) |
器件实施例5 |
3.9 |
48.3 |
41.5 |
(0.32,0.65) |
器件实施例6 |
4.1 |
49.5 |
46.2 |
(0.34,0.63) |
器件实施例7 |
3.7 |
47.6 |
41.3 |
(0.34,0.64) |
器件实施例8 |
3.8 |
50.5 |
42.8 |
(0.35,0.68) |
由表3的结果可以看出,与器件比较例1相比,器件实施例2-8无论是启亮电压、效率还是寿命均比已知OLED材料获得较大改观。
进一步的本发明材料制备的OLED器件在低温下工作时效率也比较稳定,将器件实施例1、2和器件比较例1在-10~80℃区间进行效率测试,所得结果如表4和图3所示。
表4
从表4和图3的数据可知,器件实施例1、2为本发明材料和已知材料搭配的器件结构,和器件比较例1相比,不仅低温效率高,而且在温度升高过程中,效率平稳升高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。