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有机电致发光材料已经成为国际上的一个研究热点。利用量子化学方法研究有机电致发光材料的结构与性能间的关系已成为材料科学中不可或缺的重要手段。本论文的目的在于利用量子化学手段,选择合适的模型与方法,对发光机制进行模拟和解释,并在此基础上对发光分子进行有目的的化学修饰,对其电子性质、光谱性质、传输性质和稳定性进行理论预测,从理论上评价设计分子的性能,为新型电致发光材料的分子设计提供理论依据。本论文的研究工作主要包括以下四方面内容:
1.采用从头算和密度泛函方法,对两种发光基团(聚芴(PFn)为蓝光主体材料;2,1,3-苯并噻二唑衍生物(OMC-CH3)为橙光掺杂剂)组成的单一聚合物白光体系的发光机制进行理论模拟和解释。计算结果表明,OMC-CH3的HOMO和LUMO能级处于PFn的HOMO和LUMO能级之间,说明从PFn到OMC-CH3进行部分能量转移是可行的,这与实验结果相符合。在理论模拟的发射光谱中,短波区强度高的发射峰来自PF4的蓝光发射,长波区强度低的发射峰来自OMC-CH3的橙光发射。长波区出现的发射峰是由PF4到OMC-CH3发生的部分能量转移产生的。OMC-CH3的吸收光谱与PF4的发射光谱存在交迭也模拟出单一聚合物双色体系能够发生部分能量转移的另一个特征。事实证明,我们的计算结果与实验结果符合得很好,同时也证明了计算中我们采用的理论计算方法和基组是可靠的,为下一步的分子设计提供有效手段。
2.采用已确定的理论计算方法和基组,设计并计算了双色单一聚合物白光体系中,母体橙光分子的π-桥苯环上“CH”/N取代对电子性质、光谱性质以及电荷传输性质的影响。计算结果表明,“CH”/N取代对HOMO和LUMO能量(EHOMO和ELUMO)的影响与N原子的取代位置有关,而且双N原子取代衍生物(OMC-NNx)比单N原子取代衍生物(OMC-Nx)显示出更明显的N原子取代效应。OMC-NNx的最大吸收和发射波长(λabs和λem)比相应的OMC-Nx的λabs/λem小。Λabs/λem的变化可以归凼于能隙(Eg)的变化。通过在OMC-Nx和OMC-NNx单元引入给电子取代基R(R=-CH3,-OCH3,-NH2,-N(CH3)2)进行电子和光谱性质微调后,大部分H/R取代衍生物可以作为PFn为蓝光主体材料的WPLEDs中的橙光掺杂剂分子。由于具有较小的空穴重组能,母体和所设计的分子可以作为OLEDs中的空穴传输材料。
3.我们把环并二噻吩(CPDT)和芴(F)分别引入到母体橙光分子的骨架中,同时把CPDT中的8和F中的9位置上的碳原子分别由硼,硅,氮,氧,硫和硒杂原子取代,得到了两大类衍牛物OMC-Ar1和OMC-Ar2。采用已确定的理论计算方法和基组,预测了电子性质、光谱性质、电荷传输性质以及稳定性的变化趋势。计算结果表明,与母体分子相比,OMC-Ar1和OMC-Ar2的EHOMO(除了OMC-CZT)和ELUMO降低。与母体分子相比,OMC-Ar1的λabs和λem分别发生了红移,OMC-Ar2的λabs和λem则分别发牛了蓝移。两类衍生物的λabs和λem的变化可以归因于Eg的变化。在每一类衍生物中杂原子硅、氮、氧、硫、硒的变化对Eg,λabs和λem的影响较小。由硼原子取代引起的光谱性质的不同变化与吸收和发射过程中Eg的变化或CPDT→CPDT/F→F跃迁的程度有关,其中后者的影响更明显。通过在CPDT和F取代衍生物中引入给电子取代基R(R=-CH3,-OCH3,-NH2)进行电子和光谱性质微调后,大部分H/R取代衍生物可以作为PFn为蓝光主体材料的WPLEDs中的橙光掺杂剂分子。由于具有较小的空穴重组能或具有较小的空穴和电子重组能的差值,所有分子可以作为OLEDs中的空穴或双极性电荷传输材料。静电势能结果表明F取代衍生物的稳定性要高于CPDT取代衍生物的稳定性。
4.在含B-N相互作用的偶氮苯强荧光母体分子(GM)中,通过引入给/吸电子取代基或苯并杂环或联苯的方式调节母体的电子和光谱性质,尤其是调节发光强度的变化,从而确定进一步提高发光强度的有效方式,从理论上获得性能更好的荧光材料。在研究电子和光谱性质的同时,我们也研究了所有分子的电荷传输性质以及稳定性。与母体分子相比,单、双取代分子的EHOMO,ELUMO,Eg,λabs,λem和f值呈现出规律性变化趋势。考虑溶剂效应后,和气相情况相比,f值普遍增大(除了GM-X-NO2和GM-Y-NO2)。通过与GM-X-OCH3的吸收和发射光谱的f值相比较,我们分别得到了气相和考虑溶剂效应后的吸收或发射光谱发光强度大于GM-X-OCH3的分子,研究结果显示双取代方式是提高光谱发光强度更为有效的手段。根据重组能数据,所有分子可以作为OLEDs中的空穴传输材料。含有单个吸电子取代基的分子和GM-Br-Br的稳定性要高于含有单个给电子取代基,含有单个苯并杂环或联苯以及X和Y双取代(除了GM-Br-Br)的分子。