热活化延迟荧光发光层能量转移机制的研究

作     者：江鑫 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申伟

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 

主      题：热活化延迟荧光 分子动力学模拟 能量转移 分子间相互作用 

摘      要：有机发光二极管(OLED)具有轻柔薄、响应时间快、刷新率高等特点,是最具发展潜力的平板显示技术。热活化延迟荧光(TADF)材料是第三代OLED发光材料,相比于传统磷光材料,它不需要引入贵金属就能实现对三重态激子的利用。TADF材料通常都具有较小的ΔEst,只需要热激活就能使三重态激子通过反系间窜越(RISC)转化单重态激子,实现延迟荧光发射。因此,TADF材料在平板显示领域展现了巨大的潜力,其发光器件得到了广泛的发展和运用。发光层是OLED器件的核心部分,是影响OLED发光器件性能的关键。研究TADF器件的发光层薄膜的工作原理以便于开发设计更多高效的新型OLED器件是非常有必要的。本文利用分子动力学模拟了发光层的无定形薄膜结构,采用量子力学和分子力学结合的方法,研究TADF器件发光层薄膜中激子的能量转移过程及其发光机制,为设计和制备具有优异性能的TADF发光器件提供理论指导。本论文的主要工作如下:1.TADF分子供体基团对激子猝灭过程的影响我们研究了两种供体官能团不同的TADF分子(PXZ-TRZ和DMAC-TRZ)的激子猝灭过程。用分子动力学模拟获得了两种非掺杂薄膜的无定形结构,采用ONIOM模型计算了分子无定形结构中的激发态性质,采用基于分子力场的能量分子(EDA-FF)和独立梯度模型(IGMH)分析了分子间的相互作用。研究结果表明,PXZ-TRZ在形成非掺杂薄膜时,分子间会存在比DMAC-TRZ更强的π-π相互作用。这种π-π的相互作用会抑制分子振动,限制分子基态与激发态的几何结构变形,使分子拥有更小的激发态重组能。同时,π-π相互作用会加强分子间的激子耦合。因此,用PXZ-TRZ制作的发光器件,发光层中更多的激子会因为激子能量转移被猝灭,导致其制作的器件性能不如DMAC-TRZ。这项工作为理解分子结构对激子猝灭的影响提供了理论见解。2.主体分子取代基位置对激子能量转移过程的影响我们研究了两种官能团位置异构的主体分子(2,6-2Cz BN和3,5-2Cz BN)与同种客体发光分子(4t Cz BN)形成的两种发光层薄膜的激子能量转移过程。首先用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函(TD-DFT)计算了三个分子的电子结构性质。单重态激子在咔唑(Cz)和苯甲腈(BN)片段都有分布,三重态激子主要分布在苯甲腈片段。采用分子动力学模拟了两种发光薄膜无定形形貌结构,分析了主客体分子间的相互作用和径向分布函数。研究结果表明当采用3,5-2Cz BN作为主体材料时,器件性能更好。这是因为主客体分子间存在更强得相互作用,特别是苯甲腈(三重态激子集中分布的地方)片段间的相互作用,有利于提高主客体分子能量转移的激子耦合值,提高了器件的外量子效率。除此之外,我们还发现在无定形的发光薄膜中,主客体间的分子相互作用能够抑制分子的振动弛豫,减少了能量转移过程的重组能,有利于主客体激子间的能量转移。在这项工作中,我们阐释了主体分子的几何结构差异对于主客体分子间激子能量转移过程的影响,为理解发光薄膜中的激子能量转移和设计高效的主体材料提供理论见解。3.TADF分子浓度对器件性能的影响客体TADF分子浓度对OLED的器件有重要影响,如外量子(EQE)和发光波长等。为了进一步理解浓度与器件性能的关系,我们在本项工作中研究了不同客体浓度形成的发光层薄膜的客体发光激子的猝灭现象和发光波长红移的现象。该主-客体系统的主体材料为CBP分子,客体发光分子为ρCNQ-TPA。研究结果表明,随着客体分子浓度的增加,客体分子间的相互作用在增强,造成了客体分子的聚集,导致了激子猝灭现象。客体分子间的相互作用会加强短程范围的分子间能量转移,特别是Dexter能量转移过程,Dexter能量转移过程的临界距离随着分子间的相互作用增强而增大。此外,我们发现客体分子浓度的增加会形成更强分子间的电荷转移态(A-D…A-D),分子间电荷转移态的形成是发光波长红移的主要原因。这项工作揭示了客体分子浓度引起器件效率产生滚降和发光波长红移的机制,为调控客体掺杂浓度,设计高性能的TADF发光器件提供了理论依据。