基于咔唑的有机电荷转移发光共晶的设计合成及荧光性能研究

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电荷转移共晶是富电子给体(D)与缺电子受体(A)在电荷转移等相互作用下形成的共晶,其在形成过程中不仅能够保留组成单元的固有属性,而且可能表现出单组分不具备的新颖性质。在染料领域,电荷转移共晶有利于更好地理解结构与发光性能的构效关系,对发光材料的光色调节、光物理理论研究及光功能材料的开发等具有重要意义。本文以咔唑衍生物为给体,1,2,4,5-四氰基苯(TCNB)分子为受体,设计合成系列共晶,并对其光学性能进行了探究。1、采用固定的受体分子,通过控制给体分子的平面性和给电子能力,对电荷转移共晶的荧光波长及颜色进行调控。通过设计选择咔唑衍生物分子Br Cz、Me Cz、DCB和In Cz为给体,经典分子TCNB为受体,用溶液法制备了四种电荷转移发光共晶C1-C4,并系统研究了共晶的结构与非共价键相互作用、热稳定性和光物理性质。单晶X衍射测试表明,在非共价键作用(电荷转移、π-π相互作用、氢键和C-H???π相互作用等)下,晶体产物呈现出D-A交叉堆积模式,面对面堆积的夹心式三明治结构,有利于促进电荷转移作用。更长π-共轭的DCB和In Cz具有比Br Cz和Me Cz更强的给电子能力(更小的电离势),而相比扭曲结构的Br Cz和DCB,平面刚性单体Me Cz和In Cz形成的共晶具有更强的分子间π-π相互作用(更短的D-A距离/更高的C···C百分比)。这些差异使C1-C4电荷转移作用逐渐增大,荧光波长从582 nm逐渐红移至642 nm,发光颜色从橙黄色过渡至红色。然而,给体强的给电子能力和平面刚性,能够增强共晶的电荷转移和π-π相互作用,从而容易淬灭共晶荧光,降低共晶荧光量子产率(PLQY),由于Br Cz扭曲、低共轭的分子结构和适度的给电子能力,C1的PLQY达18.7%。2、对比Br Cz-TCNB共晶与Br Cz晶体结构与光物理性质的变化,探究共晶形成对体系发光机制的影响。与TCNB、Br Cz单体相比,Br Cz-TCNB的结构发生明显变化,给受体面对面的交替堆积模式增加了分子间的电荷转移作用与π-π相互作用。与溶液和薄膜状态不同,晶体状态下,Br Cz和TCNB之间不仅发生了激发态的电荷转移,也产生了基态电荷转移的跃迁;而单体在PMMA之中掺杂的荧光光谱则证实了Br Cz和TCNB激发态电荷转移随分子间距离缩短而增加。重原子效应提高了Br Cz晶体S1和T1的旋轨耦合程度,晶体在室温下呈现出荧光和磷光双发射;而强电子受体TCNB的加入,增加了分子间电荷转移,提高了体系的RISC速率,Br Cz-TCNB共晶呈现出具有瞬时荧光和延迟荧光的TADF特性;由于激子利用率提高,Br Cz-TCNB共晶PLQY比Br Cz单晶有所提高。这些结果说明共晶方法可以调节体系的能量与激子分布,改变双组份体系的发光机制,从而提高激子利用率,并表现出单体不具备的新性质,为TADF材料的设计与研究开拓了思路。
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