有机光电材料中硼配合物的应用

1. 引言

有机硼化学位移在发光材料上去的巨大进展，是因为强发光性和高的载流子迁移率。硼桥分子的结构是π共轭，而且易修饰，设计出一些不错的分子，并广泛应用在有机光电方面，如有机发光二极管[1-2]、有机场效应晶体管[3-5]、光敏材料[6-12]、成像材料[13]、传感器[14-19]。有机硼分子中，螯合配体的富π电子与硼部分的空p轨道结合，形成电子离域和刚性π共轭结构，这种环状结构不仅含有π共轭结构加强光发射，而且通过降低最低电子未占据轨道LUMO能级，从而改变电子态，增加电子亲和性。配体类型和取代基性质会影响到螯合物间π→π*的电子转移和激发过程时取代基到螯合基团的电子转移，对配体和硼中心的光物理和电学性质都有很大影响。在过去十年里，研究了许多硼配合物，如8-羟基喹啉化合物和2-吡啶苯化合物及其衍生物，它们的荧光效率高且范围宽，从深蓝色到近红色。有些有机硼化合物已经很好的作为有机光电材料的发光材料和电子转移材料。

在这篇综述中，我们主要介绍可用于有机光电材料的有机硼分子设计和性能研究，根据配体的不同将硼配合物分成几部分进行综述，并对该领域的发展前景进行了展望。本文给出有机硼化学物分子设计和有机光电材料应用的最基本观点，有机硼的分子结构和光电性质有待于进一步研究。

2. 有机光电器件

有机光电学领域主要涉及有机材料的电子结构、能量传递、电子转化、光电转化机理及相关器件的制备，是化学、材料和电子学科的高度交叉的研究方向[6-7]。目前，人们基于有机光电学原理制备了多种光电器件，其中有机半导体在有机发光二极管（organic light-emitting diodes, OLEDs）、有机场效应晶体管（organic field-effect transistors, OFET）、有机太阳能电池（organic solar cells,OSCs）等均展现了诱人的应用前景(如图1)。

图1.有机光电器件及应用：（a,b）有机发光二极管（c,d）有机场效应晶体管（e,f）有机太阳能电池

Fig.1 Applications of organic optoelectronic devices: （a,b）OLED（c,d）OFET（e,f）OPVC

1.1 有机场效应晶体管（OFETs）

自上1986年Tsumura, A.等人首次报导聚噻吩具有场效应性能以来[8]，OFET 相关的功能材料开发、器件制备工艺优化和多功能应用研究引起了国际知名科研院所的广泛关注。经过几十年的发展，OFET 的性能指标有了很大的突破，初步满足了在电子纸、传感器、射频标签、有源平板显示器的驱动等领域的应用需求[9-21]，相关研究逐渐成为学术界和工业界研究的前沿与热点方向，具有光明的前景[22-23]。

有机场效应晶体管是以有机化合物为半导体材料，通过电场来控制材料导电能力的有源器件。OFET的基本结构主要包括有机半导体层（

organic

semiconductor）、介电层（dielectric layer）、栅极（gate electrode）、源极（source electrode）、漏极（drain electrode）。源、漏电极通常是高功函数的金属（Au、Pd、Pt 或Ag）、导电聚合物（PEDOT:PSS、PANI 等）和电荷转移复合（TTF、TCNQ、Ag-TCNQ ）等；栅极通常是金属或导电聚合物；介电层通常是二氧化硅、氮化硅等无机物，越来越多有机聚合物介电层如PMMA、PVP等被报道。

一般来说，OFET中的载流子主要有空穴和电子。由于有机半导体材料并不是决定器件导电沟道中主要载流子的唯一因素，器件的结构、电极性质和介电层界面性质等均会影响器件导电沟道中载流子的种类及其输运特性。根据导电沟道中传输载流子类型的不同，将OFET分为三类：p型OFET，n型OFET 和双极性OFET。

OFET 一般采用两种方式表征：恒定栅压时扫描源漏电压和恒定源漏电压扫描栅压，分别得到OFET 器件的输出曲线和转移曲线。通过输出曲线和转移曲线，我们可以得到迁移率、开关比、阈值电压和亚阈值斜率等，从而评价器件性能。对于传感器件的测试，可以选择I-Time曲线，实时监测外界条件变化时，电流的变化情况，进而对感应的灵敏性有个判断。

1.2有机发光二极管（OLED）

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED），1963年由美籍华裔教授邓青云在实验室中首次发现，由此展开了对OLED的研究[24]。1987年，邓青云教授和Van Slyke 采用了超薄膜技术，用透明导电膜作阳极，Al2O3作发光层，三芳胺作空穴传输层，Mg/Ag 合金作阴极，制成了双层有机电致发光器件[25]。OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能[26-32]。

OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。有机发光二极体的发光原理是当元件受到直流电所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子与空穴分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-空穴复合。而当化学分子受到外来能量激发后，若电子自旋和基态电子成对，则为单重态，其所释放的光为所谓的荧光；反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称为三重态，其所释放的光为所谓的磷光。当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子或热能的方式放出，其中光子的部分可被利用当做显示功能，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。。

在阳极材料的选择上，材料本身必需是具有高功函与可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函数、性质稳定且透光的ITO透明导电膜，便被广泛应用于阳极。在阴极部分，为了增加元件的发光效率，电子与电洞的注入通常需要低功函数金属。有机发光二极体的电子传输层和空穴传输层必须选用不同的有机材料。目前最常被用来制作电子传输层的材料