Novos compostos luminescentes com estrutura carbazol/1,3,4-oxadiazol para aplicação em OLEDs

Abstract

Diodos Orgânicos Emissores de Luz (OLEDs) têm ganhado destaque, e vêm se desenvolvendo bastante nas últimas décadas, tanto no setor industrial como na pesquisa, devido sua ampla gama de aplicações e suas características atraentes, que incluem sua flexibilidade, leveza e baixo consumo de energia. Moléculas bipolares luminescentes possuem características relevantes para aplicação em optoeletrônica, sendo um de seus principais atributos a capacidade de aceitar e transportar tanto buracos como elétrons. Estes compostos podem ser empregados como emissores em OLEDs de camada ativa única, pois não precisam de camadas adicionais de injeção de carga, ou podem ser utilizados como camadas de transporte de cargas e hospedeiros de moléculas emissoras nestes dispositivos. Outra propriedade interessante para aplicação em optoeletrônica é a auto-organização de cristais líquidos luminescentes, pois a ordem molecular permite otimizar propriedades emissoras e de transporte de cargas. Deste modo, a obtenção de moléculas luminescentes, com propriedades líquido-cristalinas e de transporte de cargas, através da ligação entre o carbazol e o 1,3,4-oxadiazol, foi o objetivo inicial deste trabalho. A unidade carbazol possui boa propriedade de transporte de buracos, baixo potencial redox, estabilidade química e ele é amplamente utilizado para obtenção de emissão azul. Já a unidade de 1,3,4-oxadiazol possui propriedade de transporte de elétrons, forte luminescência no estado sólido e é altamente sensível à natureza de sua estrutura molecular e estado de agregação, sendo que seus derivados podem exibir mesofases muito ordenadas, incluindo fases esméticas. Num primeiro momento é descrita a síntese de três moléculas derivadas da classe de compostos 1,3,4-oxadiazóis e posteriormente a inserção do grupo carbazol. A seguir, estes seis compostos foram caracterizados por meio de espectrometria de IR, NMR (1H e 13C), espectrometria de massas, eletroquímica, CHN e difratometria de raios-X, que mostraram resultados concordantes com as estruturas propostas. Foram realizadas também analises de TGA, POM e DSC para avaliar a estabilidade e as propriedades líquido-cristalinas destes compostos, sendo que a adição da unidade carbazol levou a um aumento de estabilidade térmica e o composto F12 apresentou a formação de mesofase SmA. Medidas de absorção e emissão mostraram que a adição da unidade carbazol levou ao surgimento de um estado ICT pronunciado. Foi também medido o tempo de vida de fluorescência para os compostos, o qual diminuiu com o aumento da cadeia alquílica e o rendimento quântico, que obteve valores altos, entre 0,83 e 0,99. E por fim, foram realizados cálculos teóricos buscando contribuir para o entendimento das propriedades emissivas dos compostos e o desenvolvimento de novos OLEDs de alta eficiência. Além disso, os cálculos confirmaram o caráter de ICT, da porção carbazol para 1,3,4-oxadiazol e mostraram que os compostos possuem propriedades interessantes para aplicação em OLEDs.

Abstract: Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) have gained popularity, and its technology evolving in the last decades, both in the industrial and research sectors, due to its wide range of applications and its attractive characteristics, which include its flexibility, lightness and low power consumption. Luminescent bipolar molecules have relevant characteristics for application in optoelectronics, one of its main attributes being the ability to accept and transport holes and electrons. These compounds can be employed as emitters in single active layer OLEDs, as they do not need additional charge injection layers, or they can be used as charge transport layers and hosts in these devices. Another interesting property for application in optoelectronics is the self-organization of luminescent liquid crystals, because it allows optimizing the emissing and charge transport properties. Thus, obtaining luminescent molecules, with liquid-crystalline properties and the ability to accept and transport charges through the connection between carbazole and 1,3,4-oxadiazole, was the initial objective of this work. The carbazole unit has good hole transport properties, low redox potential, chemical stability and it is widely used to obtain blue emissions. The 1,3,4-oxadiazole unit, on the other hand, has electron transport property, strong luminescence in the solid state and is highly sensitive to the nature of its molecular structure and aggregation state, and its derivatives may exhibit high ordered mesophases, including phases smectic. Firstly, the synthesis of three molecules derived from the 1,3,4-oxadiazole class of compounds is described, followed by the insertion of the carbazole group. Next, these six compounds were characterized by IR spectrometry, NMR (1H and 13C), mass spectrometry, electrochemistry, CHN and X-ray diffractometry, which showed results in agreement with the proposed structures. TGA, POM and DSC analyzes were also carried out to evaluate the stability and liquid-crystalline properties of these compounds, with the addition of the carbazole unit leading to an increase in thermal stability for C1, C6 and C12 and the F12 compound showed the formation of SmA mesophase. Absorption and emission measurements showed that the addition of the carbazole unit led to the appearance of a pronounced ICT state. The fluorescence lifetime was also measured, and decreased with the increase of the alkyl chain and the quantum yield obtained high values, between 0.83 and 0.99. And finally, theoretical calculations were carried out in order to contribute to the understanding of the emissive properties of the compounds and the development of new high efficiency OLEDs. In addition, the calculations confirmed the character of ICT, from the carbazole portion to 1,3,4-oxadiazole and showed that the compounds have interesting properties for application in OLEDs.