Development of novel planarized triarylamine based materials for OLEDs

Abstract

In den letzten Jahrzehnten führten intensive Forschungsbemühungen zur Anwendung von organischen Leuchtdioden (OLEDs) in alltäglichen Gebrauchsgegenständen wie etwa Smartphones oder TV-Geräten. Insbesondere die Entwicklung von phosphoreszenten OLEDs (PhOLEDs) und Emittermolekülen mit thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz (thermally activated delayed fluorescence, TADF), führten zu signifikanten Effizienzsteigerungen. Die weitere Verbesserung der Effizienz und insbesondere der Stabilität, sowie kostengünstige Produktionsmöglichkeiten und tiefblau emittierende Leuchtdioden bleiben jedoch nach wie vor große Herausforderungen. Zuletzt entstand zunehmendes Interesse an der Verwendung von vollständig planarisiertem Indolo[3,2,1-jk]carbazol (ICz) in Materialien für OLEDs. Obwohl ICz ein typischer Elektronendonor ist, hat es auch schwache Akzeptoreigenschaften. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einbau elektronenarmer pyridinartiger Stickstoffatome untersucht, um die Akzeptoreigenschaften des ICz-Gerüsts weiter zu erhöhen. Für die Synthese aller möglichen Azaindolo[3,2,1-jk]carbazol (NICz) -Isomere mit einem, sowie sechs verschiedener Isomere mit zwei eingebauten Stickstoffatomen, wurde eine umfassende Synthesestrategie basierend auf CH-Aktivierung entwickelt. Die Studie ergab, dass nicht nur die Anzahl an eingebauten Stickstoffatomen, sondern insbesondere die genaue Position innerhalb des Moleküls einen entscheidenden Einfluss auf die photophysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften, sowie die Anordnung im kristallinen Festkörper hat. Darüber hinaus wurden die neu entwickelten NICz Bausteine erfolgreich als Akzeptoren in bipolaren Materialien mit TADF-Eigenschaften eingesetzt. Im Vergleich zu Polymeren werden kleinere Moleküle meist mittels Verdampfung im Vakuum prozessiert. Die Verarbeitung aus Lösung, wie beispielsweise durch Druckverfahren, stellt jedoch eine günstigere Alternative dar. Die planare Struktur führt bei ICz basierten Materialien jedoch meist zu schlechter Löslichkeit, welche für eine Verarbeitung aus Lösung nicht ausreicht. Deshalb wurde im zweiten Teil dieser Arbeit der Einbau von Alkylketten in den ICz Baustein untersucht. Basierend auf drei unterschiedlichen Molekülgerüsten wurde der Effekt von tert-Butyl und Hexylgruppen auf die Löslichkeit und die Materialeigenschaften untersucht und mit den nicht-alkylierten Derivaten verglichen. Letztlich konnten die Moleküle als Hostmaterialien in grünen und blauen PhOLEDs, welche aus Lösung verarbeitet wurden, eingesetzt werden. Zusätzlich wurden unterschiedliche bipolare konjugierte Systeme unter Verwendung von 1,2,3-Triazolen als funktionelle Linker hergestellt. Die Auswirkung der Triazole auf die Konjugation wurde eingehend untersucht und ausgewählte Materialien wurden als Hostmaterialien für rote und grüne phosphoreszente Emitter in aus Lösung verarbeiteten PhOLEDs verwendet.

In the past two decades, intensive research efforts led to everyday life applications of Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) (e.g. smartphone displays, flat screens). In particular, phosphorescent OLEDs (PhOLEDs) utilizing heavy metal complex emitters and materials capable of thermally activated delayed fluorescence (TADF) stand out among the developments towards improved device efficiency. However, further improvement of efficiency and stability, inexpensive fabrication techniques and especially deep blue emitting devices still remain major challenges. In recent years, growing research interest in using fully planarized indolo[3,2,1-jk]carbazole (ICz) in materials for OLEDs was observed. Although ICz is a typical electron donating moiety, it also has weak acceptor properties. In the course of this thesis, the incorporation of electron deficient pyridine-like nitrogen atoms was investigated, to further enhance the acceptor properties of the ICz scaffold. A comprehensive synthetic approach based on C-H activation was developed for the synthesis of all possible azaindolo[3,2,1-jk]carbazole (NICz) isomers with one, as well as six different isomers with two incorporated nitrogen atoms. This study revealed that not only the amount of nitrogen, but especially the specific position within the scaffold has a decisive impact on photophysical and electrochemical properties, as well as alignment in the solid state. Moreover, the NICz scaffold was successfully employed as acceptor building block in bipolar materials indicating TADF properties. Although small molecules are usually processed by vacuum deposition, processing from solution represents an inexpensive alternative. However, due to the rigid structure of the planar scaffold, ICz based materials often exhibit low solubility, insufficient for solution processing. Therefore, the second part of this thesis investigated the introduction of alkyl chains to the ICz scaffold for improvement of the solubility. Within a set of three different scaffolds containing the ICz moiety, the effect of tertbutyl and hexyl groups on the properties of the materials was studied and compared to the nonalkylated derivatives. Ultimately, the materials were used as host materials for green and blue PhOLEDs, being the first example of ICz based molecules employed in solution processed devices. Additionally, different bipolar conjugated systems with 1,2,3-triazoles as functional linkers were prepared. The effect of the triazole-linkage on the conjugation was investigated in detail and selected materials were utilized as host materials for red and green phosphorescent dopants in solution processed PhOLEDs.