延迟荧光分子发光性能的理论研究

发布时间：2020-07-30 09:41

【摘要】：有机发光二极(OLED)管凭借其质量轻、超薄、可弯曲等特点,在有机照明和有机显示等领域表现出了良好的应用前景。近年来,热活化延迟荧光(TADF)材料由于可实现100%的激子利用率而受到广泛地关注,被誉为第三代电致发光材料。区别于传统的荧光材料和磷光材料,热活化延迟荧光材料可以通过一个高效的反系间窜越(RISC)过程,将三重态激子转换为单重态激子,从而有效提高三重态激子利用率。本文采用最优化泛函的计算方法,准确高效地计算了TADF分子最低单重激发态(S_1)和最低三重激发态(T_1)之间的能差,探究了TADF分子构型变化对分子性质特别是对S_1-T_1能差的影响,提出了高效TADF分子的设计策略。此外,我们通过量子力学和分子力学结合(QM/MM)的方法,研究了分子固相下的发光性质,揭示了聚集诱导发光,热活化延迟荧光以及热激子等发光机制。具体的研究内容和结果如下:1.分子构型变化对TADF分子S_1-T_1能差的影响利用最优化泛函的方法计算了实验合成的TADF分子,通过与实验结果比较,确定了计算参数。进而采用不同的供电子基团来设计了多种TADF分子,研究了基团的供电子能力以及前线轨道的离域性与S_1-T_1能差的关系。同时,通过改变分子供体和受体之间的连接方式,研究了基团间不同连接方式对S_1-T_1能差的影响。研究结果表明,提高分子基团的供电子能力有利于减小S_1-T_1能差,同时增加最高占据轨道(HOMO)的离域性能够进一步减小S_1-T_1能差。此外,通过采用乙炔代替传统苯环的连接方式,这样能有效地减小分子内空间位阻效应,使TADF分子保持S_1-T_1能差变化不大的前提下,大幅提升辐射速率,从而提高TADF分子的发光效率。2.固相环境对TADF分子发光性质的影响已有的研究工作主要是针对单分子的研究,而对固相下TADF分子属性的研究比较少。考虑到TADF分子的应用主要以固相为主,且实验结果也主要是其固相的性质。因此,应发展理论方法研究固相下TADF分子的发光性质。我们通过QM/MM方法研究了实验合成的高效橙红色TADF分子(10-(7-fluoro-2,3-diphenylquinoxalin-6-yl)-10H-phenoxazine:FDQPXZ)的能级结构以及辐射速率和无辐射速率,并研究了其发光性质。结果表明,当分子处在固相下时,低频模式对应的二面角的扭转运动受到抑制,使得固相下分子的黄昆因子和重组能都减小,无辐射速率降低,激发态无辐射能量损失路径受阻。此外,S_1和T_1之间的三重态能级的参与系间窜越和反系间窜越过程,提高了FDQPXZ的延迟荧光效率。3.固相环境对聚集诱导TADF分子发光性质的影响聚集诱导发光(AIE)材料是制备非掺杂OLED器件的理想材料,这类发光材料还能够极大地提高器件效率和稳定性。华南理工大学的赵祖金教授团队合成的dibenzothiophene-benzoyl-9,9-dimethyl-9,10-dihydroacridine(DBT-BZ-DMAC)分子,将AIE和TADF的优势结合在一起,使器件的发光效率大幅提高。我们通过QM/MM方法对固相下DBT-BZ-DMAC分子的激发态性质进行了研究。研究结果表明,固相条件限制了DMAC和DBT基团的扭转运动,无辐射能量损失路径受阻,分子发光效率从气相下的0.01‰增加到固相下的20.5%,从而展示了DBT-BZ-DMAC分子的聚集诱导发光特性。该工作揭示这类分子材料的聚集诱导发光特性和热活化延迟荧光特性,对设计合成更加高效的发光分子具有重要的指导意义。4.固相环境对聚集诱导热激子延迟荧光分子发光性质的影响已有研究工作表明,具有杂化的局域激发和电荷转移激发态(HLCT)的热激子发光分子2,3-bis(4’-(diphenylamino)-[1,1’-biphenyl]-4-yl)fumaronitrile(TPATCN)具有高的激子利用率和发光效率。我们进一步利用QM/MM方法研究了固相环境对聚集诱导热激子延迟荧光分子发光性质的影响,揭示了激子转移机制。研究结果表明,固相条件下,低频模式对应的二面角的扭转运动受到了抑制,激发态的无辐射能量损失路径受到阻碍,分子发光效率从气相下的0.16%提升高固相下的52.1%,从而阐述了TPATCN分子的聚集诱导发光的特性。此外,我们结合计算的能级结构和激发态动力学速率参数来揭示了热激子的发光机制。5.堆积效应对分子间电荷传输特性以及发光性质的影响平衡的电子和空穴传输特性能够有效的提高激子的复合率,从而获得高效的激子利用率以及外量子效率。我们通过马修斯方程和蒙特卡罗模拟的方法得到了2,6-diphenylanthracene(DPA)和2,6-diphenyl-9,10-bis(phenylethynyl)anthracene(DP-BPEA)的迁移率,同时研究了迁移率与温度的关系,阐述了分子间堆积方式对电荷传输特性的影响。此外,我们通过QM/MM方法研究了DPA和DP-BPEA分子的发光性质,揭示了堆积效应对发光特性的影响。研究结果表明,DPA和DP-BPEA都是典型的空穴传输材料,遵循“跳跃”传输机制。由于分子间堆积方式不同,使DPA分子拥有四条有效传输路径,迁移率变大,而DP-BPEA分子拥有更加平衡的电荷传输特性。此外,DPA分子具有聚集诱导增强发光(AIEE)的特性。本论文共由八章组成:第一章为综述,主要介绍了有机发光二极管的发展过程以及目前发光层材料的研究进展。第二章主要介绍了最优化泛函和调控区间分离泛函的方法来计算TADF分子的S_1-T_1能差。同时介绍了研究固相下分子发光性质所采用的QM/MM方法,阐述电致发光的物理过程以及计算辐射和无辐射速率的理论方法。第三章到第七章是基于以上理论方法开展的研究工作。第三章主要是通过最优化泛函的计算方法研究了分子结构变化对S_1-T_1能差的影响,提出了高效TADF分子的设计策略;第四章是通过QM/MM方法研究了固相下FDQPXZ分子的发光性质,从理论上阐述了热活化延迟荧光机制;第五章是对一类特殊的聚集诱导热活化延迟荧光分子激发态性质的研究,揭示了聚集诱导发光和热活化延迟荧光分子的发光性质;第六章研究了一类具有杂化的局域激发和电荷转移激发态(HLCT)的发光分子,阐述了聚集诱导发光和热激子延迟荧光分子的发光机制;第七章是对两类分子体系的电荷传输特性和发光特性的研究,揭示了堆积效应对分子间电荷传输特性以及发光性质的影响。第八章是对所做工作的总结,并展望了未来的研究工作。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN383.1
【图文】：

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图 1.1 OLED 在中小屏幕上的应用实例1.2 有机发光二极管的器件结构有机发光二极管经历了从单层结构到双层、三层结构以及后来的多层结构的发展变化，如图 1.2 所示。到目前为止，OLED 的器件结构主要包括五大部分：阳极、阴极、缓冲层、载流子传输层和发光层。下面我们具体的介绍这五大部分各自的功能和作用。

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图 1.2 OLED 的单层、双层和三层结构示意图首先，阳极材料在 OLED 中起到提供空穴的作用，同时要求其功函数尽可能的高，这样有利于提高空穴的注入效率。此外，OLED 要发出光来，一个必要条件就是有一个电极是透明的，因此通常选用高功能函数的透明材料氧化铟锡(ITO)导电玻璃作为阳极，因为 ITO 玻璃在可见光范围内具有较高的透射率。其次，OLED 中一般采用金属比如 Al，Mg 等作为阴极材料。阴极材料在 OLED中起到提供电子的作用，同时要求其功能函数尽可能的低。这是因为，相比于空穴的注入来说，电子的注入要相对困难一些。金属阴极的功能函数的高低会严重影响 OLED 的发光效率。一般来说，阴极的功能函数越低，电子越容易注入到器件中，发光效率也会相应的提高。同时低的功函数会导致有机材料和金属接触的界面的势垒变低，在电子注入的时候产生的焦耳热就会减少，使得 OLED 的寿命会提高。

发光层,进程

来分别调节电子和空穴的传输速率，使他们能够平衡的注入发光层，然后复合形成发光激子，是实现高效 OLED 的要求之一。对于传输层的研究，也是目前 OLED 研究领域的一大热点。[7, 8]最后，我们着重来介绍一下发光层，发光层作为 OLED 最核心的部分，它的发光效率的高低，直接影响了器件的外量子效率，从而决定了器件的好坏。首先，发光层不仅应该具有高的发光效率，而且要具有比较适当的空穴和电子的传输速率，太快太慢都不好。其次，根据实验合成的要求，发光层材料应该具有较好的成膜性和热稳定性。根据发光方式的不同，发光层的材料主要分为荧光材料和磷光材料，具体的发展过程如图 1.3 所示。进一步细分，根据发光激子的利用方式和激子利用率的不同，可以分为传统发光材料和新型发光材料，我们后面的内容介绍将根据这种划分的方式进行讲述。同时会具体介绍我们在新型热活化延迟荧光材料等方面所开展的研究工作。

【参考文献】