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分子内电荷转移(ICT)态发光材料的理论研究与分子设计

刘丹丹  
【摘要】:激发态是指原子和分子吸收能量后,电子被激发到较高能级但尚未电离的状态。在量子力学中,一个系统(例如一个原子或分子)的激发态是该系统中任意一个比基态具有更高能量的量子态。处于激发态的分子通常是不稳定的,只能维持较短的时间,要通过各种方式来衰减能量。电荷转移态(CT)是一种特殊的激发态形式,即束缚的空穴(hole)和电子(electron)分别局域在不同分子上(Donor和Acceptor)或同一分子的不同部位,其分别对应着分子间或分子内电荷转移态。分子间电荷转移态主要涉及太阳能电池的异质结界面研究,而分子内电荷转移(ICT)态在有机电致发光领域也有广泛的应用。然而,ICT态的发光效率通常比较低,电子跃迁具有较小的跃迁矩,这主要是由分子内电荷转移化合物中分子内较低的轨道重叠程度所决定的。近年来,在分子结构上做适当调整的分子内电荷转移化合物是可以实现较高发光效率的,目前已被广泛的应用于有机电致发光领域,例如三苯胺取代的多芳香环体系。然而,对于这类分子体系中ICT态的具体形成过程,ICT态实现高效率发光的原理等研究目前仍然比较缺乏,严重制约了此类材料体系的发展,因此专门开展ICT态发光机制研究及ICT态发光材料的开发等就显得尤为重要。 随着计算机硬件和软件的更新换代,计算化学的发展也得到了相应的推进,理论计算的速度、准确度以及精度均得到不断的提高。目前,量子化学已经成为研究物质的结构及性能的重要手段,它可以提供实验中所不能观察到的微观性质。本论文利用量子化学计算方法,从微观的分子几何结构及电子结构出发,深入研究了分子的基态和激发态性质,结合实验现象,重点阐述了ICT态实现高发光效率的原理、给受体吸推电子强度对ICT态性质的影响规律以及高性能用于电致发光的ICT发光材料的分子设计。 对于化合物—三苯胺-蒽(TPA-AN),实验数据表明,其表现出明显的ICT态性质,随着溶剂极性的增强,发射光谱逐渐红移,峰形变宽。并且实验结果显示化合物TPA-AN表现出较高的溶液发光效率(62%)。我们从理论计算的角度对化合物TPA-AN的几何结构、电子结构进行深入的分析,意在讨论ICT态实现高发光效率的原理。化合物TPA-AN的基态几何优化结果显示,化合物中电子给体(TPA)和电子受体(AN)之间存在较大的扭曲角(83°),其吸收特征主要表现为的AN→AN局域激发态特征,ICT态的跃迁由于缺乏有效的前线轨道重叠而表现出禁阻的特征。化合物TPA-AN的势能面比较平缓,不同几何构象在60-120°范围内旋转的能垒比较小,随着几何结构的弛豫,激发态中局域激发态LE和分子内电荷转移ICT态相互混合,化合物表现出混合激发态性质。在极性溶剂条件下,ICT态的能量逐渐降低,激发态的几何逐渐趋向于平面化。在此情况下,ICT态的电子跃迁逐渐由禁阻变为允许,允许的ICT态作为局域激发LE态的有效补充,两种激发态共同发光是实现化合物TPA-AN高效率发光的本质。 在对ICT态高发光效率原理认识的基础上,我们讨论了给受体吸推电子强度对ICT态性质及辐射效率的影响。通过在蒽(AN)基团中引入杂原子N,我们设计了三种具有不同受体强度的分子内电荷转移化合物,分别为TPA-AN,TPA-AC和TPA-PN。采用密度泛函理论DFT和含时密度泛函理论TDDFT对三种化合物的基态几何、激发态几何、电子结构、吸收和发射光谱以及其溶剂化效应等性质进行系统的讨论。计算结果显示这三种化合物的基态几何中电子给体和电子受体间都存在较大的扭曲角,并且化合物均表现出LE态和ICT态相混合的激发态性质。这主要是由于这三种化合物的势能面都比较平缓,几何构象之间的旋转能垒比较小。由此可见,混合激发态性质与化合物中给受体强度无关,而是与化合物本身大扭曲的结构有关。并且随着化合物中电子受体强度的增加,混合激发态中ICT态的组分也相应地增加,激发态的偶极矩也明显增大,化合物的吸收和荧光发射光谱的最大峰值也表现出逐渐红移的特征。与此同时,随着电子受体强度的增强,化合物中激发态跃迁至基态所对应的跃迁矩也明显增加,表现为逐渐增强的发光效率。 针对高性能ICT态发光材料缺乏的现状,我们在对ICT态深入认识的基础上构筑了一类具有HOMO-LUMO空间分离特征的ICT态发光材料,在有机电致发光领域可以实现高性能发光。我们研究的体系是以三苯胺(TPA)作为电子给体,不同吸电子能力的芳香基团为电子受体,两者之间通过单键连接。由于此类分子体系中电子给体和电子受体之间均表现出大扭曲的构型,因此电子给体和电子受体之间的共轭程度被打断,HOMO和LUMO轨道上的电子云局域分布于电子给体和电子受体基团上,从而实现了电荷单独注入、传输功能基团分离,氧化和还原位点相互分离。通过选择不同的电子受体基团,我们分别设计了红、绿、蓝三色发光材料。部分材料已经被实验验证并被发表,这类材料均表现出ICT态性质,并且具有较高的发光效率和高稳定性。进一步,我们以蓝光材料TPA-AN为模型化合物,结合三苯胺的结构特征,通过改变分子中空穴传输基团(TPA)和电子传输基团(AN)的比例实现对载流子传输性质的相关调控,在保证高空穴传输性质的前提下有效地提高了电子迁移率,并且设计出了n-型和双极性传输材料。由于HOMO-LUMO分离体系中化合物的氧化位点和还原位点相互分离,在化合物得失电子的过程中,可以减少分子几何反复变化所损失的能量,进一步提高了电子器件的稳定性。实验结果也显示这类化合物表现出较长的器件寿命和较高的发光效率。该材料在电致发光领域有广泛的应用前景,在高稳定和高效率方面都有重大突破。


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