圆偏振热活化延迟荧光分子发光性质的理论研究

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热活化延迟荧光(TADF)材料作为第三代电致发光材料,能够实现100%的激子利用率,为电致发光领域带来了突破性进展,并且以其轻薄、可弯曲的特点成为有机发光二极管(OLED)中的新型发光材料。具有TADF特性的发光分子不断发展,越来越多高效的TADF分子被合成并报道,并具有一些特殊的性质如白光发射、聚集诱导发光等,其中具有圆偏振发光(CPL)性质的TADF分子引起了关注。圆偏振光具有提高图像对比度、护眼等独特的优势,在防眩光显示、光通信和三维显示等领域有着广泛应用。产生圆偏振光的传统方式面临着复杂的器件结构以及光强损失的问题,而手性发光材料则可以直接发射圆偏振光。因此,寻求高效的具有圆偏振发光能力的热活化延迟荧光分子成为了研究者们追求的目标。自从2015年CP-TADF分子首次被发现至今,研究者们设计合成了不同类型的CP-TADF分子,各种新型分子基团的应用提高了器件的发光效率和电致发光不对称因子。但是在设计分子时,并没有明确的理论指导,基本分子结构与发光性质之间的关系还未被发现,不同分子结构对TADF性质和CPL性质的影响还未被明确,迫切需要基于理论分析的明确的设计策略。为了揭示分子的几何结构与光物理性质之间的关系,本文选择了不同体系分别研究了供体和受体自身的形态以及它们所成的二面角对于CPL性质和TADF性质的影响,揭示了分子结构与发光性质间的规律,主要研究内容及结论如下:(1)研究了一对手性分子(R)-Im NT和(S)-Im NT,通过分子动力学构象搜索发现了两种构象,供体和受体成平面关系的分子称为准轴向构型,成垂直关系的称为准赤道构型。在可极化连续介质模型(PCM)中采用密度泛函理论和含时密度泛函理论对分子的基态和激发态结构进行优化,对跃迁性质进行了分析。绘制了所有构型的电子圆二色性(ECD)光谱,发现手性基团的存在成功诱导了分子手性。通过分析不同构型的自然原子轨道(NAO),发现在准轴向构型的分子中,由于手性基团对分子轨道以及黄昆因子和重组能的贡献较大,因此具有准轴向构型的分子有利于获得更出色的CPL性质。而准赤道构型则有利于分子S1和T1之间能差的减小,它们之间的自旋轨道耦合效应明显增强。此外,准赤道构型还可以促进三重态激子的上转换,更快地实现激子从三重态到单重态的反向系间窜越,具有更好的TADF特性。本工作从理论上揭示了分子供体和受体之间二面角不同所带来的光物理性质的变化,为设计高效的CP-TADF分子提供了思路。(2)通过基于分子动力学模拟的构象搜索找到了(R)-SFST/(S)-SFST分子的两种不同构象,两种构型的供体和受体的弯曲程度不同。为了探究供体和受体的形态对分子CPL性质和TADF性质的影响,在PCM模型中考虑了甲苯溶液的影响,对几何结构进行了优化,并且计算出不同构型分子的均方根位移(RMSD)和前线分子轨道,明确了其跃迁特性。绘制了不同构型分子的ECD光谱,发现硫原子的添加使连接骨架和供体基团的碳原子变成了手性碳中心,使分子具有了圆偏振发光的能力。其次,我们发现当分子具有扭曲的构型时,手性基团在分子轨道中所占的比例更大,有利于实现更高的发光不对称因子。当受体基团发生畸变时,受体基团的吸电子能力受到了抑制,分子在S1和T1之间跃迁时几何结构的变化更大,旋轨耦合效应更弱,抑制了三重态激子向单重态的上转换。结果表明,扭曲构型可以获得较好的CPL性能,刚性的受体可以获得较好的TADF性能。我们的计算从理论上揭示了供体和受体的形态与CPL和TADF性质之间的关系,可以为调控CP-TADF分子的结构和性能提供理论指导,进一步促进其在OLED中的应用。本论文一共分为五章:第一章绪论,介绍了有机发光二极管及圆偏振热活化延迟荧光材料的发展史。第二章具体阐述了采用的理论方法。第三章和第四章详述了采用上面所提及的理论方法进行的理论研究工作。第三章研究了圆偏振热活化延迟荧光分子供体和受体的二面角与光物理性质的关系,第四章研究了圆偏振热活化延迟荧光分子供体和受体的形态与光物理性质之间的关系。第五章对两项工作进行了总结并提出了对未来的研究的期望。
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