高能隙主體材料之設計合成及其在有機電激發光元件之應用

Design and Synthesis of High Energy Gap Hosts and Their Applications in Organic Electroluminescent Devices

周鶴修(Ho-Hsiu Chou)

指導教授 ： 鄭建鴻

國立清華大學/理學院/化學系/博士(2010年)

摘要

摘 要
在本論文中我們設計合成出新型的高能隙與高熱穩定性之三蝶烯衍生物做為藍色磷光元件之主體材料，三蝶烯本身結構具有三級碳與剛性結構，分別具有可阻斷分子內的共振效應，提高三重態能階與增加熱穩定性之功能，三重態能隙的範圍為2.72~3.18 eV，而其玻璃轉化溫度120~220 ℃，此外，我們亦利用三蝶烯結構外接不同推、拉電子基之官能團，可改變三蝶烯衍生物之HOMO與LUMO能階，進而影響化合物傳遞載子的特性，在電激發光元件中，使用單一載子傳輸特性的主體材料所製成之元件，其效果並不佳，因此我們利用具有電子傳輸特性的TPOTP與具電動傳輸特性的TCTP，以共蒸鍍的方式，設計出具有雙主體材料為系統之元件，有助於提升電子與電洞的注入，增加其再結合的機率，這樣的設計我們從元件Device 2M中可以看到，外部量子效率可達15.5%，最大電流效率為31.9 cd/A，最大功率效率為25.0 lm/W，元件最大亮度維持在8962 cd/m2，而Device 2M在亮度1000 cd/m2時，其外部量子效率仍可維持在10.9%，相較於僅用單一主體材料TPOTP或TCTP所製成之元件高出許多，並在穩定度上也有顯著的提升，於亮度1000 cd/m2下，元件效率可維持在10%左右，顯示這雙主體材料系統之元件可有效的改善元件表現，此研究成果發表於2010年Journal of Materials Chemistry中。
其次，我們希望能設計出具有雙偶極性的主體材料，來解決前面所面臨的問題，雖然如前面中所述，利用雙主體材料系統可解決電子與電洞注入不平衡的問題，但此方法除了製程較為繁複外，其電子與電洞是藉由不同的主體材料注入發光層中，能量傳遞易以熱的形式散失，因此我們設計出具有苯胺基與磷氧基混成的雙極性主體材料BAPO與BCPO，其玻璃轉化溫度分別為96 ℃與137 ℃，三重態能階為2.85與3.01 eV，在電激發光元件中，我們將FIrpic、FIr6、Ir(ppy)3和Ir(piq)3搭配BCPO做為藍綠紅三色的磷光元件主體材料，其最大外部量子效率(最大功率效率)分別為23.5% (40.6 lm/W) at (0.13, 0.30)、19.8% (33.1 lm/W) at (0.14, 0.25)、21.6% (87.5 lm/W) at (0.28, 0.65)與17.0% (20.4 lm/W) at (0.67. 0.33)，與TPOTP和TCTP相比，BCPO搭配FIrpic之元件不論是外部量子效率、電流效率與功率效率，均上升了51.6%、41.4%與62.4%，而其中亮度亦提升了四倍左右，這樣的表現優於目前所發表之文獻結果，此成果已發表於2010年Advanced Materials期刊。
最後，我們成功的合成出六種咪唑雜菲衍生物，其中分為咔唑基系列的mCzPI、pCzPI與mdCzPI以及pyrene系列的mPPI、pPPI與mdPPI，咔唑系列化合物為雙偶極性之主體材料，而pyrene系列則為高螢光放光化合物，其HOMO能階位於5.58-5.84 eV之間，與常用的螢光客體材料能階符合，而在熱穩定性上其玻璃轉化溫度位於123-198 ℃之間，搭配客體材料BCzVBi所製成的元件表現以mdCzPI製成的Device 4C效率最高，最大外部量子效率為8.52%，最大電流效率為9.27 cd/A，最大功率效率為8.33 lm/W，最大亮度為26347 cd/m2，CIE座標為(0.14, 0.12)。

關鍵字

有機發光二極體 ； 主體材料 ； 有機電激發光元件

參考文獻

[3] C. W. Tang, , S. A., VanSlyke, Appl. Phys. Lett. 1987, 51, 913.

[6] Turro, N. J. Modern Molecular Photochemistry, University Science Book, CA, 1991.

[7] Forster. T. Disc. Faraday Soc. 1959, 27, 7.

[8] Dexter. D. L. J. Chem. Phys. 1953, 21, 836.

[10] Text book of Basic Optics.