CN114685517B - 一种含氮杂芳香环的有机化合物及其电致发光的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含氮杂芳香环的有机化合物，具有式Ⅰ所示结构，其可以作为热活化延迟荧光(TADF)材料应用于有机光电装置中，可明显提升OLED器件的效率、寿命，降低驱动电压。
Description
技术领域
本发明涉及有机电致发光材料技术领域，尤其涉及一种含氮杂芳香环的有机化合物及其电致发光的应用。
背景技术
根据发光机制，可用于OLED发光层材料主要包括以下4种：荧光材料、磷光材料、三线态-三线态湮灭(TTA)材料和热活化延迟荧光(TADF)材料。
其中，荧光材料及TTA材料理论最大内量子产率低，磷光材料成本高，目前应用比较广泛的是TADF材料。TADF材料的发光机理是当单线激发态和三线激发态的能级差较小时，分子内部发生反向系间窜越RISC，T1态激子通过吸收环境热上转换到S1态，可同时利用75％的三线态激子和25％的单线态激子，理论最大内量子产率可达100％。TADF材料主要为有机化合物，不需要稀有金属元素，生产成本低，可通过多种方法进行化学修饰。但目前已发现的TADF材料较少，需要开发理论最大内量子产率高的低成本TADF材料，来进一步提升OLED显示器件的综合性能，因此新型的可用于OLED器件的TADF材料亟待开发。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种含氮杂芳香环的有机化合物及其电致发光的应用，可以明显提升OLED器件的效率、寿命，降低驱动电压。
本发明提供了一种含氮杂芳香环的有机化合物，具有式Ⅰ所示结构：
其中，R1、R2独立的选自取代或未取代的芳基或杂芳基；
R3、R4独立的选自H、取代或未取代的芳基或杂芳基；
L1、L4独立的选自单键、取代或未取代的芳基或杂芳基。
本发明提供了一种有机发光器件，所述有机发光器件包括阳极、阴极，以及位于所述阳极和阴极之间的有机薄膜层，所述有机薄膜层包括发光层，所述发光层中含有至少一种上述含氮杂芳香环的有机化合物。
本发明提供了一种显示面板，包括上述有机发光器件。
与现有技术相比，本发明提供了一种含氮杂芳香环的有机化合物，具有式Ⅰ所示结构，其可以作为热活化延迟荧光(TADF)材料应用于有机光电装置中，可明显提升OLED器件的效率、寿命，降低驱动电压。
附图说明
图1为本发明提供的有机发光器件的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种含氮杂芳香环的有机化合物，具有式Ⅰ所示结构：
其中，R1、R2独立的选自取代或未取代的芳基或杂芳基；
R3、R4独立的选自H、取代或未取代的芳基或杂芳基；
L1、L4独立的选自单键、取代或未取代的芳基或杂芳基。
可选的，所述R1、R2、R3、R4、L1、L4的取代基独立的选自氘、C1～C10烷基、取代或未取代的芳基或杂芳基。
进一步的，所述R1、R2、R3、R4、L1、L4的取代基独立的选自氘、C1～C5的烷基、取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基、喹唑啉基、芴基、咔唑基、二苯并呋喃基、二苯并噻吩基中的一个或多个；
上述取代基可进一步被氘、C1～C5烷基或苯基中的一个或多个取代。
可选的，上述C1～C5烷基选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基或异戊基。
可选的，所述R1、R2独立的选自取代或未取代的单环芳基、2～3个环稠合形成的稠合芳基、2～3个环通过单键连接形成的芳基、单环杂芳基、2～3个环稠合形成的稠合杂芳基。
上述稠合形成稠合杂芳基的环可以是单环芳基或单环杂芳基，且至少包括一个单环杂芳基。上述单环杂芳基为五元环或六元环，其杂原子可以为N、O、S、Si中的一个或多个。
可选的，所述稠合形成稠合杂芳基的单环芳基为苯基。
可选的，所述稠合形成稠合杂芳基的单环杂芳基包括但不限于吡咯基、呋喃基、噻吩基、咪唑基、吡唑基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、三嗪基、吡喃基等。
可选的，所述R1、R2独立的选自取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基或喹唑啉基；
所述R1、R2的取代基独立的选自氘、C1～C5的烷基、取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基、喹唑啉基、芴基、咔唑基、二苯并呋喃基、二苯并噻吩基中的一个或多个；
上述取代基可进一步被氘、C1～C5烷基或苯基中的一个或多个取代。
可选的，所述R3、R4独立的选自H、取代或未取代的单环芳基、2～3个环稠合形成的稠合芳基、2～3个环通过单键连接形成的芳基、单环杂芳基、2～3个环稠合形成的稠合杂芳基。
上述稠合形成稠合杂芳基的环可以是单环芳基或单环杂芳基，且至少包括一个单环杂芳基。上述单环杂芳基为五元环或六元环，其杂原子可以为N、O、S、Si中的一个或多个。
可选的，所述稠合形成稠合杂芳基的单环芳基为苯基。
可选的，所述稠合形成稠合杂芳基的单环杂芳基包括但不限于吡咯基、呋喃基、噻吩基、咪唑基、吡唑基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、三嗪基、吡喃基等。
可选的，所述R3、R4独立的选自H、取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基或喹唑啉基；
所述R3、R4的取代基独立的选自氘、C1～C5的烷基、取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基、喹唑啉基、芴基、咔唑基、二苯并呋喃基、二苯并噻吩基中的一个或多个；
上述取代基可进一步被氘、C1～C5烷基或苯基中的一个或多个取代。
可选的，所述L1、L4独立的选自单键、取代或未取代的单环芳基、2～3个环稠合形成的稠合芳基、2～3个环通过单键连接形成的芳基、单环杂芳基、2～3个环稠合形成的稠合杂芳基。
上述稠合形成稠合杂芳基的环可以是单环芳基或单环杂芳基，且至少包括一个单环杂芳基。上述单环杂芳基为五元环或六元环，其杂原子可以为N、O、S、Si中的一个或多个。
可选的，所述稠合形成稠合杂芳基的单环芳基为苯基。
可选的，所述稠合形成稠合杂芳基的单环杂芳基包括但不限于吡咯基、呋喃基、噻吩基、咪唑基、吡唑基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、三嗪基、吡喃基等。
可选的，所述L1、L4独立的选自单键、取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基或喹唑啉基；
所述L1、L4的取代基独立的选自氘、C1～C5的烷基、取代或未取代的苯基、联苯基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、1,2,3-三嗪基，1,3,5-三嗪基、1,3,4-三嗪基、萘基、喹啉基、喹喔啉基、异喹啉基、喹唑啉基、芴基、咔唑基、二苯并呋喃基、二苯并噻吩基中的一个或多个；
上述取代基可进一步被氘、C1～C5烷基或苯基中的一个或多个取代。
可选的，所述含氮杂芳香环的有机化合物，具有以下任一结构：
上述结构式中，单键表示甲基。
本发明提供的上述含氮杂芳香环的有机化合物具有合适且可调的HOMO、LUMO能级，较高的S1和T1及明显的TADF效应，可作为磷光发光层材料使用，有望得到较高的发光效率。
上述含氮杂芳香环的有机化合物可按以下路线制备：
可选的，上述含氮杂芳香环的有机化合物的制备方法如下：
S1)将反应物A1、A2和Pd(PPh3)4、四丁基溴化铵、Na2CO3在溶剂中混合进行反应，提纯后得到产物A3；
S2)将产物A3和三苯基膦进行反应，得到产物A4；
S3)将产物A4和Br-L1-R1在Pd2dba3(三(二亚苄基丙酮)二钯(0))和叔丁醇钠的作用下，进行反应得到产物A5。
可选的，所述A1、A2和Pd(PPh3)4、四丁基溴化铵、Na2CO3的摩尔比为1:1.5:0.05:0.05:3。
可选的，所述溶剂选自甲苯/乙醇/H2O混合溶剂。
可选的，所述甲苯/乙醇/H2O的体积比为3:3:1。
可选的，反应结束后，将反应溶液冷却至室温，使用水和二乙醚萃取有机层，然后采用硅胶柱色谱法进行分离和纯化。
可选的，所述A3和三苯基膦的摩尔比为1:3。
可选的，所述步骤S2)中，反应的溶剂为二氯苯。
可选的，所述产物A4和Br-L1-R1、Pd2dba3(三(二亚苄基丙酮)二钯(0))和叔丁醇钠的摩尔比为1:1:0.05:3。
可选的，所述步骤S3)中，反应的溶剂为甲苯。
本发明提供了一种有机发光器件，所述有机发光器件包括阳极、阴极，以及位于所述阳极和阴极之间的有机薄膜层，所述有机薄膜层包括发光层，所述发光层中含有至少一种上述含氮杂芳香环的有机化合物。
可选的，所述含氮杂芳香环的有机化合物作为TADF材料。
本发明提供了一种显示面板，包括上述有机发光器件。
本发明提供的有机发光器件可以为本领域技术人员熟知的有机发光器件，本发明可选的，所述有机发光器件包括基板、ITO阳极、第一空穴传输层、第二空穴传输层、电子阻挡层、发光层、第一电子传输层、第二电子传输层、阴极(镁银电极，镁银质量比为1:9)和盖帽层(CPL)。
本发明可选的，所述有机发光器件的阳极材料可选自金属-铜、金、银、铁、铬、镍、锰、钯、铂等及它们的合金；如金属氧化物-氧化铟、氧化锌、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)等；如导电性聚合物-聚苯胺、聚吡咯、聚(3-甲基噻吩)等，除以上有助于空穴注入材料及其组合，还包括已知的适合做阳极的材料。
本发明可选的，所述有机发光器件的阴极材料可选自金属-铝、镁、银、铟、锡、钛等及它们的合金；如多层金属材料-LiF/Al、LiO2/Al、BaF2/Al等；除以上有助于电子注入的材料及其组合，还包括已知的适合做阴极的材料。
本发明可选的，所述有机光电装置，如有机发光器件中的有机薄膜层至少有一层发光层(EML)，还可以包含其他功能层，包括空穴注入层(HIL)、空穴传输层(HTL)、电子阻挡层(EBL)、空穴阻挡层(HBL)、电子传输层(ETL)、电子注入层(EIL)。
本发明可选的，所述有机发光器件按照以下方法制备：
在透明或不透明的光滑的基板上形成阳极，在阳极上形成有机薄层，在有机薄层上形成阴极。
本发明可选的，形成有机薄层可采用如蒸镀、溅射、旋涂、浸渍、离子镀等已知的成膜方法。
本发明提供了一种显示装置，包括上述显示面板。
在本发明中，有机发光器件(OLED器件)可以用在显示装置中，其中有机发光显示装置可以是手机显示屏、电脑显示屏、电视显示屏、智能手表显示屏、智能汽车显示面板、VR或AR头盔显示屏、各种智能设备的显示屏等。
下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1)C1的合成：
将10.0mmol的反应物A1、15.0mmol的反应物B1、0.5mmol的Pd(PPh3)4、0.5mmol的四丁基溴化铵(TBAB)和30.0mmol的Na2CO3溶于60mL的甲苯/乙醇/H2O(三者体积比3:3:1)的混合溶剂中，在80℃的温度下搅拌16小时。将反应溶液冷却至室温，使用60mL的水和60mL的二乙醚萃取有机层三次。用无水MgSO4干燥萃取的有机层，蒸发溶剂。通过硅胶柱色谱法分离和纯化从其中获得的残余物，获得中间体C1。
2)D1的合成：
将10.0mmol的中间体C1和30mmol的三苯基膦溶于30mL的二氯苯中，在180℃的温度下搅拌16小时。将反应溶液冷却至室温，然后加入水。使用30mL的二乙醚洗涤二氯苯层三次。用无水MgSO4干燥经洗涤的层，在减压下干燥获得产物。通过硅胶色谱法分离和纯化获得中间体D1。
3)T1的合成：
将10mmol的中间体D1、10mmol的反应物E1、0.5mmol的Pd2dba3(三(二亚苄基丙酮)二钯(0))和30mmol的叔丁醇钠溶于60mL的甲苯中，在80℃下搅拌3小时。将反应溶液冷却至室温，使用40mL的水和50mL的乙醚萃取有机层三次。使用无水MgSO4干燥萃取的有机层，蒸发溶剂。用硅胶柱色谱法分离和纯化从其中获得T1。
MALDI-TOF：m/z：计算值：C41H27N5:589.23，实测值：589.37。
化合物元素分析结果：计算值：C41H27N5(％):C,83.51；H,4.62；N,11.88；测试值：C,83.50；H,4.63；N,11.87。
实施例2-9
以下表1化合物按照上述类似方法合成：
表1
器件实施例1
本应用例提供一种OLED器件，如图1所示，图1为本发明提供的有机发光器件的结构示意图，包括依次层叠的基板1，阳极2、第一空穴传输层3、第二空穴传输层4、发光层5、第一电子传输层6、第二电子传输层7、阴极8与盖帽层9。其中氧化铟锡(ITO)阳极15nm、第一空穴传输层10nm、第二空穴传输层95nm、发光层30nm、第一电子传输层35nm、第二电子传输层5nm、阴极15nm(镁银电极，镁银质量比为1:9)、盖帽层(CPL)100nm。
OLED器件的制备步骤如下：
(1)将玻璃基板1切成50mm×50mm×0.7mm的大小，分别在异丙醇和去离子水中超声处理30min，然后暴露在臭氧下清洁10min；将通过磁控溅射所得的具有ITO阳极2的玻璃基板安装到真空沉积设备上；
(2)在真空度为2×10-6Pa下，在ITO阳极层2上真空蒸镀化合物HAT-CN，厚度为10nm，作为第一空穴传输层3；
(3)在第一空穴传输层3上真空蒸镀化合物TAPC作为第二空穴传输层4，厚度为95nm；
(4)在第二空穴传输层4上真空蒸镀发光层5，采用本发明提供的有机化合物T1作为主体材料，Ir(piq)2(acac)作为掺杂材料，T1和Ir(piq)2(acac)的质量比为97:3，厚度为30nm；
(5)在发光层上真空蒸镀化合物BCP作为第一电子传输层6，厚度为35nm；
(6)在第一电子传输层6上真空蒸镀化合物Alq3作为第二电子传输层7，厚度为5nm；
(7)在第二电子传输层7上真空蒸镀镁银电极作为阴极8，Mg和Ag质量比为1:9，厚度为15nm；
(8)在阴极8上真空蒸镀高折射率的化合物CBP，厚度为100nm，作为阴极覆盖层(盖帽层)9使用。
所述OLED器件中用到的化合物结构如下：
器件实施例2-11
将器件实施例1中步骤(4)中的有机化合物T1分别替换为等量的化合物T11、T13、T24、T31、T9、T43、T37、T86、T109或T127，其他制备步骤同器件实施例1。
器件对比例
一种OLED器件，其与器件实施例1的区别仅在于，将步骤(4)中的有机化合物T1用等量的对比化合物T0替换；其它原料及制备步骤均相同。
OLED器件的性能评价：
用Keithley 2365A数字纳伏表测试OLED器件在不同电压下的电流，然后用电流除以发光面积得到OLED器件在不同电压下的电流密度；用Konicaminolta CS-2000分光辐射亮度计测试OLED器件在不同电压下的亮度和辐射能流密度；根据OLED器件在不同电压下的电流密度和亮度，得到在相同电流密度下(10mA/cm2)的启亮电压和电流效率(CE，Cd/A)，Von为亮度1Cd/m2下的启亮电压；通过测量OLED器件的亮度达到初始亮度的95％时的时间而获得寿命LT95(在50mA/cm2测试条件下)；具体数据如表2所示。
表2OLED器件性能检测结果
从表2可以看出，本发明提供的OLED器件具有较低的工作电压、较高的发光效率以及较长的寿命。相对于器件对比例，采用本发明化合物的OLED器件的工作电压得到降低，发光效率明显提升，寿命明显延长。这可能得益于本发明化合物特殊的稠环结构，可实现HOMO、LUMO能级的较小重叠，保证非常小的ΔEST，从而实现高效的RISC(反系间窜越)过程，使更多的三线态激子窜跃到单线态发出荧光，达到较高的发光效率。本发明化合物具有优异的热稳定性和薄膜稳定性，在OLED器件工作时更为稳定，有利于OLED器件制备和获得长寿命。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种含氮杂芳香环的有机化合物，其特征在于，具有以下任一结构：
2.一种有机发光器件，所述有机发光器件包括阳极、阴极，以及位于所述阳极和阴极之间的有机薄膜层，所述有机薄膜层包括发光层，所述发光层中含有至少一种如权利要求1所述的含氮杂芳香环的有机化合物。
3.根据权利要求2所述的有机发光器件，其特征在于，所述含氮杂芳香环的有机化合物作为TADF材料。
4.一种显示面板，包括权利要求2～3任一项所述的有机发光器件。
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