WO2017032143A1 - 发光金属铱络合物及其制备的有机电致发光器件 - Google Patents
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Abstract
一种发光金属铱络合物及其制备的有机电致发光器件,其特征在于:该络合物的结构如下通式(1)所示,其中Ar为芳香族五元环或六元环,n=1-2;其中X是碳原子小于12的含氟烷基,包含CF3,CF2CF3,CH2CF3,CF2CF2CF3,CH2CF2CF3,CF(CF3)2,CH(CF3)2,CF2CF(CF3)2,CH2CF(CF3)2;p=1-4取代基数;其中L为含有N原子的二齿螯合发光配体:
Description
本发明涉及一种发光金属铱络合物及其制备的有机电致发光器件。采用在发光层中使用一种含氟辅助配体与通用发光配体构成改进发光金属铱络合物,可应用于有机发光OLED器件(机电致发光器件),改善发光材料的溶解性、升华蒸镀加工性,有利于OLED显示器件的规模化生产。
有机半导体材料属于新型光电材料,其大规模研究起源于1977年由白川英树,A.Heeger及A.McDiamid共同发现了导电率可达铜水平的掺杂聚乙炔。随后,1987年Kodak公司的C.Tang等发明了有机小分子发光二极管(OLED),和1990年剑桥大学R.Friend及A.Holmes发明了聚合物发光二极管P-OLED,以及1998年S.Forrest与M.Thomson发明了效率更高的有机磷光发光二极管PHOLED。由于有机半导体材料具有结构易调可获得品种多样,能带可调,甚至如塑料薄膜加工一样的低成本好处,加上有机半导体在导电薄膜,静电复印,光伏太阳能电池应用,有机薄膜晶体管逻辑电路,和有机发光OLED平板显示与照明等众多应用,白川-Heeger-McDiamid三位科学家于2000年获得诺贝尔化学奖。
作为下一代平板显示应用的有机电致发光二极管,有机光电半导体材料要求有:1.高发光效率;2.优良的电子与空穴稳定性;3.合适的发光颜色;4.优良的成膜加工性。原则上,大部分共轭性有机分子(包含星射体),共轭性聚合物,和含有共轭性发色团配体的有机重金属络合物都有具备电激发光性能,应用在各类发光二极管,如有机小分子发光二极管(OLED),聚合物有机发光二极管(POLED),有机磷光发光二极管(PHOLED)。磷光PHOLED兼用了单线激发态(荧光)和三线激发态(磷光)的发光机理,显然比小分子OLED及高分子POLED高得多的发光效率。PHOLED制造技术和出色的PHOLED材料都是实现低功耗OLED显示和照明所必不可少的。PHOLED的量子效率和发光效率是荧光OLED材料的3~4倍,因此也减少了产生的热量,增多了OLED显示板的竞争力。这一点提供了使得总体上OLED显示或照明超越LCD显示以及传统光源的可能。因而,现有高端OLED器件中或多或少地掺用了磷光OLED材料。
磷光OLED材料是由含有一定共轭性的有机发光团作为二齿螯合配体,与金属元素形成环金属-配合体络合物,在高能光照下(如紫外光激发)或电荷注入(电激发)条件下,由于环金属-配体电荷转移(MLCT)成为激子,然后回复到基态而导致发光。在OLED器件中电荷的注入是通过在阳极施加正电压后,从阳极注入空穴,阴极施加负电压后注入电子,分别经过电子传输层与空穴转输层,同时进入发射层的本体材料中,电子最终进入发光掺杂剂中的最低末占分子轨道(LUMO),空穴进入发光掺杂剂中的最高占有分子轨道(HOMO)而形成激发态发光掺杂剂分子(激子态)。激子态回复到基态后伴随着发射光能,其发射光能波长正对应着发光分子掺杂剂的能隙(HOMO-LUMO能级差)。
已有不少报道的贵重金属有机配合体络合物,受贵重金属的影响而增强了自旋轨道作用,使得本应较弱的磷光变得很强而呈现优良磷光发射。例如发绿光的三(苯基吡啶)铱(Ⅲ)配合络合物,简称为Ir(PPY)3,具有结构式为:
发射蓝光的FirPic具有如下结构式:
其中的主配体4,6-二氟代苯基吡啶主宰着发光颜色。
发射红光的三(辛烷基喹啉)铱(Ⅲ)配合络合物,具有优异的高效发射性能(Adv.Mater.19,739(2007))其结构式为:
应用于有机发光器件OLED还有多类材料,表1罗列了相应的文献。
表1:已有报道的各类有机OLED应用半导体材料:
然而,由于金属铱三配体络合物本身分子量大,并且使用的共轭性发光配体分子间作用力大等原因,大部分有机金属铱络合物都存在升华、蒸镀温度接近络合物分解温度,难溶难提纯等影响OLED规模化生产问题。为满足工业生产不断提升的各种要求,获得高效、长寿命的有机OLED显示及照明产品,开发更好、效率更高与易于制造的发光材料势在必行。
金属铱化合物磷光材料一般以含有N原子的螯合均一配体与Ir形成铱络合物,或是使用1个或2个发射波长较短的含有N原子的螯合辅助配体,与2个或1个发射波长较长的含有N原子的螯合主要配体与贵重金属铱形成杂化(hybride或Heteroleptic dopants)络合物发光化合物。由于发射波长从高能量(或短波长)自然地向低能量(或长波长)传递效应,在光激发或电激发条件下,杂化或杂配金属络合物材料最终显现出主配体发光波长。因此,在一杂配铱络合物中,决定最终颜色一般为能量较低、发射波长更长的配合体为主配体,而其它不显色的配体为辅助配体。根据这一能量传递原理,近年来有不少报道采用杂化络合物方式来改进升华加工性,如专利申请US20100244004报道了采用6-甲基-2-苯基吡啶作为杂配体,使难以升华的均配体依络合物发光化合物(A)获得改进,所获得的杂配体依络合物发光化合物(B)的发光波长不变,但升华温度减低而可升华。
(A):均配体依络合物发光化合物:难升华(B):杂配体依络合物发光化合物:可升华
虽然采用上述较小分子量、或共轭发色团较小的螯合辅助配体可以降低一些升华温度,但往往还是不能满足日益增加的OLED制备要求。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足,提供一种使用全氟化或部分氟化烷基具有增溶、自润滑作用来取代辅助配体,不仅能增加整个杂配铱金属络合物的溶解性,有利于溶液提纯或溶液镀膜加工、同时在不影响发光性能的前提下能使同样大小的杂配铱络合物升华温度显著降低,为制备OLED器件提供更有利的加工制作窗口的发光金属铱络合物。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种发光金属铱络合物(杂化铱络合物),该络合物的结构如下通式(1)所示:
其中Ar(辅助杂配体中)为芳香族五元环或六元环,n=1-2;
其中X(辅助杂配体中)是碳原子小于12的含氟烷基,如包含CF3,CF2CF3,CH2CF3,CF2CF2CF3,CH2CF2CF3,CF(CF3)2,CH(CF3)2,CF2CF(CF3)2,CH2CF(CF3)2中的一种或一种以上(即取代基团-CF3,-CF2CF3,-CH2CF3,-CF2CF2CF3,-CH2CF2CF3,-CF(CF3)2,-CH(CF3)2,-CF2CF(CF3)2,-CH2CF(CF3)2,下同);p=1-4取代基数;
其中L为含有N原子的二齿螯合发光配体。
本发明上述的杂化铱络合物中,在吡啶环上引入至少一个含氟的烷基(X),可以是全氟烷基或是部分氟化烷基,如CF3,CF2CF3,CH2CF3,CF2CF2CF3,CH2CF2CF3,CF(CF3)2,CH(CF3)2,CF2CF(CF3)2,CH2CF(CF3)2等,该结构不仅增加了共轭性铱络合物的溶解性能,同时也降低了升华温度,使得原有许多难溶难升华提纯的发光铱络合物成为易溶、易升华、易规模化蒸镀的制备OLED器件的原料。
根据本发明所述的范畴,在一种情况下,通式(1)中所述的杂配体中Ar为五元芳杂环,则发光金属铱络合物(杂化铱络合物)的一般式为:
上式(1.1)中的X是碳原子小于12的含氟烷基,包含CF3,CF2CF3,CH2CF3,
CF2CF2CF3,CH2CF2CF3,CF(CF3)2,CH(CF3)2,CF2CF(CF3)2,CH2CF(CF3)2中的一种或一种以上;p=1-4取代基数;L为含有N原子的二齿螯合发光配体,其中n=1-2;Z为O,S,CH2,Si(CH3)2中的一种;Y为H,D,碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的含氟烷基、苯基、取代苯基、吡啶基、取代吡啶基、F、Cl、NO2、-COR(R为碳原子小于12的烷基、氟烷基)中的具体取代基的一种;q为1-4取代基数。
在另一种情况下,上述的发光金属铱络合物(杂化铱络合物)中Ar也可为六元芳杂环,则杂化铱络合物的一般式分别如下式(1.2)-(1.4)所示:
上述式(1.2)-(1.4)中的X是碳原子小于12的含氟烷基,包含CF3,CF2CF3,CH2CF3,CF2CF2CF3,CH2CF2CF3,CF(CF3)2,CH(CF3)2,CF2CF(CF3)2,CH2CF(CF3)2中的一种或一种以上,p=1-4取代基数;L为含有N原子的二齿螯合发光配体,其中n=1-2;Y为H,D,碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的含氟烷基、苯基、取代苯基、吡啶基、取代吡啶基、F、Cl、NO2、-COR(R为碳原子小于12的烷基、氟烷基)中的具体取代基的一种;q为1-4取代基数。
根据本发明所述范畴,含氟烷基X原则上可以在吡啶环上3,4,5,或6位至少一个位置取代,因为含氟取代会促使辅助配体活性减低,有利于起发光主导作用的主配体形成。由于空间位阻效应,X在6位上更能进一步降低辅助配体的活性,有利于控制辅助配体的当量。
下式(1.11)、(1.21)、(1.31)、(1.41)为含氟烷基取代吡啶环6位时的杂配铱络合物的结构:
上述各式中,当X为全氟烷基时,不论在辅助配体吡啶环任何位置,都有使其降活性,也会使辅助配体的LUMO降低,辅助配体的发射波长红移。当X为部分氟化,尤其是连在吡啶环上的为烷基,如-CH2CF3,吡啶环的LUMO则影响不大,这时部分氟化的烷基主要起空间位阻化学效应,和起增加溶解性,减少分子间作用力。
按照本发明所述的范畴,当选用适当的辅助配体与已知的发射红光、绿光或蓝光等发光配体L与Ir形成杂化铱金属络合物后,就可获得溶解性、升华性改进的新型发光材料。
在一种情况下,本发明所述的含氟辅助杂配体可以与适当的红光配体(本发明L代表的物质中的一类),也就是发射波长大于590nm的L配体形成改性后的红光发光铱
络合物,优选的红光配体包含但不限于以下优选结构式RL1-RL14:
上述结构式RL1-RL14中的R1-R11为H,D,碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的含氟烷基、烷氧基、硅烷基、苯基、取代苯基、吡啶基、取代吡啶基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、芴基、取代芴基代表的具体取代基中的一种。
根据本专利所述范畴,本文所述的含氟辅助杂配体(2)-(9)、(1.21)、(1.31)、(1.41)可以与发光主配体RL1-RL14杂化与金属铱形成红光发光杂配络合物,该络合物的结构式保护但不仅限于如下式R1-R12:
另一种情况下,本发明所述的含氟辅助杂配体可以与适当的绿光配体,也就是发射波长500-590nm的L配体形成改性后的绿光发光铱络合物,优选的绿光配体包含但不限于以下优选结构式GL1-GL16:
式GL1-GL16中的R1-R11为H,D,碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的含氟烷基、烷氧基、硅烷基、苯基、取代苯基、吡啶基、取代吡啶基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、芴基、取代芴基。
根据本发明所述范畴,本文所述的含氟辅助杂配体(1.1)-(1.4)、(1.11)、(1.21)、(1.31)、(1.41)原则上可以与发光主配体GL1-GL16杂化与金属铱形成众多的络合物,其中包含但不限于如下式G1-18绿光发光杂配络合物:
按照本发明所述的范畴,本发明所述的含氟辅助杂配体可以与适当的蓝光配体,也就是发射波长440-500nm的L配体形成改性后的蓝光发光铱络合物,优选的蓝光配体包含但不限于以下优选结构式BL1-BL6:
式BL1-BL6中的R1-R9为H,D,碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的含氟烷基、烷氧基、硅烷基、苯基、取代苯基、吡啶基、取代吡啶基、呋喃基、取代呋喃基、噻吩基、取代噻吩基、芴基、取代芴基;Z为H,D,碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的含氟烷基、苯基、F,Cl、CN,NO2、-COR(R为碳原子小于12的烷基、碳原子小于12的氟烷基)。
根据本专利所述范畴,本文所述的含氟辅助杂配体(1.1)-(1.4)、(1.11)、(1.21)、(1.31)、(1.41)原则上可以与发光主配体BL1-BL6杂化与金属铱形成蓝色发光金属络合物。其中包含但不限于如下式B1-B6的蓝光发光杂配络合物:
根据本专利所述范畴,本文所述的含氟辅助杂配体(1.1)-(1.4)、(1.11)、(1.21)、(1.31)、(1.41)原则上可以与发光主配体RL1-RL14、GL1-GL16、BL1-BL6杂化与金属铱形成众多发光金属络合物。由此所形成的含氟金属络合物兼具原有发光铱络合物Ir(L)3的优异特性,同时大大改善了原有发光铱络合物Ir(L)3溶解性欠佳而带来的提纯难点,有效地降低了升华或真空热蒸镀温度,节省了热能耗,减少了有机发光材料在蒸镀加工过程中热分解的可能性。
为获得含氟辅助杂配体,可以通过多种化学制备方法,如Suzuki反应或关环反应进行。具体如下反应历程,反应式I为通过Suzuki反应获得含氟辅助配体4;辅助配体4与IrCl3或其水合物形成辅助配体-Ir的氯桥化合物;该氯桥化合物与银盐,如三氟磺酸银形成活性更高的预备物6;预备络合物6与含有N原子的二齿螯合发光配体L即形成最终杂配有机金属铱发光络合物7。
类似,含有1个辅助配体、2个发光主配体金属铱络合物可以使用如下反应进行获得:
在络合物7、9中举例使用发红光的苯基异喹啉作为L二齿螯合发光配体。根据本发明所述范畴,其它主配体二齿螯合发光配体也同样适用,如发红光的RL1-14,发绿光的GL1-16,发蓝光的BL1-6皆可与本发明所述的含氟辅助配体组合成改进的新型发光铱金属络合物。在不违背本发明所述范围内,辅助配体4中的Ar为芳香族五元环或六元环,包括辅助配体结构式(1.1)-(1.4)、(1.11)、(1.21)、(1.31)、(1.41)。
本发明一种有机电致发光器件,其特征在于,所述的发光器件由如下几部分组成:
(a)一个阴极;
(b)一个电子注入层;
(c)一个阳极;
(d)一个空穴注入层;
(e)一夹心于电子注入层与空穴注入层之间的发光层,其中发光层含有如下金属络合物(即本发明上述的发光金属铱络合物(杂化铱络合物)):
在将本发明上述的发光金属铱络合物(杂化铱络合物)应用于有机发光二极管中,采用发光掺杂剂化合物、其通常是与一主体材料(Host)混合形成发光层。发光掺杂剂化合物混合有利于增加发光分子的效率,减少不同电场下发光颜色改变,同时也可降低昂贵发光掺杂剂的用量。混合成膜可通过真空共蒸镀膜,或是通过混合溶于溶液中旋涂、喷涂或溶液打印法。本发明还包括针对上述的发光材料在有机发光器件(OLED有机发光二极管)的应用。作为有机半导体,原则上所述的材料可以作为电荷传输层,阻挡
层应用。从经济上考虑,更为重要的是作为发光层的应用。当用作发光层时,为提高发光效率,有必要尽量避免发光分子的聚集。通常是使用小于50%的浓度发光(重量)材料,优选为0.2至20%掺杂剂,掺到一个主体材料中。更为优化的掺杂浓度为2-15%。当然,主体材料也可以是多于一种材料的混合主体材料,此时量少者为辅助主体材料。
本发明的发光器件的发光层中含有所述的发光材料,与一主体材料通过共蒸发或溶液涂敷法形成发光层;发光层厚度为5-50纳米,所述的主体材料其三线态能级为2.2-2.9eV,依据所发光的波长而定。如果是发蓝色电致磷光,主体材料的三线态能级应大于2.75eV;如果是发绿色电致磷光,主体材料的三线态能级应大于2.40eV;如果是发红色电致磷光,主体材料的三线态能级应大于2.15eV。
所述的发光层中含有不到50%的有机金属铱化合物和一大于50%摩尔比的主体材料组成(上述的50%即摩尔百分比含量),其中主体材料包含以下结构化合物:
或者为上述的DBTT、NCBP中的一种与如下的辅助主体材料混合:
其中辅助主体材料与DBTT、NCBP中的一种的配比为5-45%(摩尔比)。
本发明的优点和有益效果:本发明使用全氟化或部分氟化烷基具有增溶、自润滑作用来取代辅助配体,具体为在吡啶环上引入含氟的烷基,可以是全氟烷基或是部分氟化烷基,如CF3,CF2CF3,CH2CF3,CF2CF2CF3,CH2CF2CF3,CF(CF3)2,CH(CF3)2,CF2CF(CF3)2,CH2CF(CF3)2不仅增加了共轭性铱络合物的溶解性能,同时也降低了升华温度,使得原有许多难溶难升华提纯的发光铱络合物成为易溶、易升华、易规模化蒸镀制备OLED器件。
图1实施例有机发光二级管结构示意图。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合实施例子对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1:含2-苯基-6-三氟甲基乙基-吡啶辅助配体发光化合物的合成
根据以上合成化学原理,在不违背本发明范畴下,合成了如下含氟取代杂配体与发光配体组合成的红、绿、蓝有机金属铱化合物,具体所列出的络合物通过质谱验证了分子量及分子所具有的碎片,具体见下表2:
表2
从上述质谱的m/e的数值充分证明本发明合成的化合物即为表2中所列化合物。为达到优良的器件性能,一个发达的有机发光二级管还会包括多种其它有机半导体材料,图1为一说明性器件结构。在镀有透明导电膜ITO(铟-锡氧化物)基片101阳极上,可任选一空穴注入层HIL 102,如酞青兰(CuPc)或其他含芳氨的化合(Appl.Phys.Lett.,69,
2160(1996)如mTDATA。
同样地,在空穴注入层与发射层EML104之间,还可选择一空穴传输层HTL103,如使用4,4’-双[N-(1-萘基)-N-苯氨基]联苯(α-NPD)
为平衡电子与空穴的注入,提高发光效率,可任选一电子传输空穴阻挡(ETHB)ETL105材料,例子是1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯TPBi,其结构为:
在ETHL与阴极107之间,还通常使用电子注入层EIL106。电子注入层通常是功函较低的金属鋰,或其化合物如8-羟基鋰(Liq):
电子注入层通常是功函较低的金属鋰,或其化合物如LiF,8-羟基鋰(Liq)等。
因此,OLED发光器件是一复杂的多层结构,图1为一典型的构造,但不是唯一的应用结构。其中有机半导体层的总体厚度是50-250纳米,优选总厚度为80-180纳米。
作为绿色及红色磷光OLED,任何三线态能级大于2.4eV的主体材料都可作为本发明的发光材料OLED的应用。优选的主体材料有:
为使上述发光层中电子与空穴平衡注入,或是为调节因发光掺杂剂对电子、空穴俘获能力差异而需要调节电子、空穴平衡,可以选用一种辅助主体材料,也即使用混合主体材料,其中辅助主体材料与主要主体材料的重量配比为5-45%(即辅助主体材料与主要主体材料的重量比)。根据本发明所述发光材料,下列材料为优选辅助主体材料:
作为蓝色三线态发光器件OLED,任何三线态能级大于2.7eV的主体材料都可作为本发明的发光材料OLED的应用。优选的主体材料还有:
本发明优点于所述的发光器件为一高效稳定的蓝色至红色发光器件,发射波长为465-630nm,应用于有机发光平板显示屏,如手机屏,i-Pack屏,电视屏,电脑屏等。本发明的磷光掺杂剂材料也可以用于平板照明。为达到白光照明,有必要使用二种或三种不同颜色的OLED通过垂直叠加,或水平混合成为白光照明器件。例如,使用一蓝色有机发光器件(发射波长445-485nm)和一橙红色有机发光器件(发射波长570-610nm)所组成的二结白光器件。更复杂的白光发光器件由红(590-630nm)、绿(505-555nm)和蓝(445-485nm)三结白光器件构成。
器件应用实例:
在一个本底真空达10-5帕的多源蒸发OLED制备设备中,采用如下的器件结构:ITO/mTDATA/NPD/Host:发光掺杂剂11%/TPBi/LiF/Al,使用不同的主体材料及发光掺杂剂OLED发光器件以便做比较。其中各有机层及电极的真空沉积速度于时间列于表3。
表3:磷光OLED器件制备条件(发光层中掺杂剂重量浓度9%)
材料 | 沉积速度(埃/秒) | 厚度控制(埃) | 所需时间(秒) |
HIL:mTDATA | 0.5 | 100 | 200 |
HTL:NPD | 2.0 | 400 | 200 |
EML:Host/发光材料 | 1.5 | 300 | 200 |
ETL | 1.0 | 200 | 200 |
EIL:Liq | 1.0 | 80 | 80 |
Al | 5.56 | 1000 | 180 |
表4:OLED器件性能(1000Cd/cm2照度下);LT80%寿命h@40mA/cm2
从表4器件性能比较看出,与现有发光材料Ir(ppy)3比较,本发明所述的绿光发光掺杂剂化合物5,8皆具有更高的发光效率,较低的蒸镀温度,所得OLED器件的加速寿命LT80%(@40mA/cm2)更长。此外,红光发光材料化合物2,4,以及蓝光发光材料12也具有较低的蒸镀温度。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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