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金属铱配合物光物理性质与结构关系的理论研究

作　者: 史清华
导　师: 孙少瑞
学　校: 北京工业大学
专　业: 物理化学
关键词: 有机发光材料系间窜越速率理论铱(Ⅲ)配合物的分子设计磷光光谱辐射和无辐射跃迁速率
分类号: O627.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

有机电致发光器件(OLED)在全屏显示和固态照明领域的巨大潜力，吸引了学术界和产业界的关注。磷光材料因为其具有较高的发光效率、较好的发光性质以及颜色可调等优点，在OLED的高效率发光层方面有着巨大的潜力。近些年来，过渡金属配合物磷光材料的研究得到了飞速的发展，尤其是铱配合物的发光性质得到了广泛的研究。但是相对于红光和绿光材料，蓝光材料在色纯度，发光效率和应用方面有很大的差距。因此说，本论文的目的是利用量子化学计算方法，从分子的微观结构出发，分析分子的发射光谱性质，辐射和无辐射的衰减过程，从而在本质上揭示分子结构与性能的关系，为开发设计高效的发光材料提供理论依据。本论文结合密度泛函理论计算，运用我们自主发展的振动关联函数计算公式，首先详细计算研究了有机过渡金属配合物三(2-苯基吡啶)铱(fac-Ir(ppy)3)和fac-Ir(F2ppy)3的光物理性质，包括不同温度下的磷光光谱、辐射跃迁速率、无辐射跃迁速率、磷光效率及激发态寿命。研究表明：用强电子基团F来取代苯基吡啶配体苯环上的H原子，可以降低HOMO能级，从而使光谱蓝移。通过分析电子结构与光物理性质的关系，可以发现T1与S0态之间主要发生了从金属到配体的跃迁MLCT，混合一部分配体内π→π*跃迁；同时随着温度的升高，辐射衰减速率呈现出稍微的减小趋势，而无辐射衰减速率明显增加；对Ir(F2ppy)3而言，无辐射耗散激发态能量的主要途径是配体L1上的碳碳键的伸缩振动。例如,连接氟化苯环和吡啶环的C5-C46键、吡啶环内C43-C44键和C42-C47键及氟化苯环内的C3-C6键；对Ir(ppy)3而言，对重整能贡献较大的变化主要来自于键长的变化，尤其是C5-C56、C2-C5、N55-N56，而这种变化与结构的变化是一致的。这些信息均给分子改造和设计进而合成更高效的磷光材料提供了理论依据。然后我们使用相同的研究方法对配合物(ppz)2Ir(ppy)、(F2ppz)2Ir(F2ppy)和Ir(F2ppz)3进行了定量预测。我们在研究几何结构、前线轨道布局、不同温度下的磷光光谱、辐射和无辐射衰减速率、磷光效率及激发态寿命的同时，通过分析配合物的无辐射谱，结合同位素取代的方法，对配合物的无辐射通道进行了研究。结果表明：配合物随着F、N的取代，π→π*不断的增加，同时能隙增大，这就导致了发射光谱的蓝移。我们可以通过改变可以通过改变重整能来调整无辐射谱的斜率，从而达到调节无辐射速率的目的。通过同位素取代，可以得到，配合物的无辐射衰变的速率由不同的无辐射通道决定，而辐射速率与电子的振动耦合无关。这都为我们设计出高效的磷光材料提供了理论依据。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-29
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 有机电致发光材料的概述  12-14
    1.2.1 有机电致发光简介  12-13
    1.2.2 有机电致发光器件结构  13
    1.2.3 有机电致发光器件的工作原理  13-14
  1.3 磷光有机电致发光的概述  14-19
    1.3.1 发光原理  14-15
    1.3.2 有机电致磷光材料  15-19
      1.3.2.1 铱配合物的绿光材料  15-17
      1.3.2.2 铱配合物的红光材料  17-18
      1.3.2.3 铱配合物的蓝光材料  18-19
  1.4 量子化学简介  19-27
    1.4.1 密度泛函理论的基础  19-24
      1.4.1.1 薛定谔方程  20-21
      1.4.1.2 波恩-奥本海默尔近似和单电子近似  21-22
      1.4.1.3 密度泛函理论  22-24
    1.4.2 密度泛函的分类  24-25
    1.4.3 含时密度泛函理论  25-26
    1.4.4 本论文所采用的量子化学计算软件  26-27
  1.5 论文选题的意义和内容  27-29
    1.5.1 论文选题的意义  27-28
    1.5.2 论文研究的内容  28-29
第2章分子光谱理论和计算方法  29-37
  2.1 分子激发态的光物理过程  29-30
  2.2 分子光谱理论简介  30-33
    2.2.1 Franck-Condon 原理  30-31
    2.2.2 吸收和发射光谱  31-33
  2.3 速率理论简介  33-37
    2.3.1 无辐射跃迁速率  33-35
    2.3.2 辐射跃迁速率  35-37
第3章含有氟代苯基吡啶配体的铱配合物  37-55
  3.1 引言  37-38
  3.2 计算方法  38-39
  3.3 计算结果与讨论  39-52
    3.3.1 S_0和 T_1态的分子构型  39-41
    3.3.2 前线分子轨道  41-42
    3.3.3 光物理性质  42-52
  3.4 小结  52-55
第4章定量预测金属铱配合物的发光效率  55-67
  4.1 引言  55
  4.2 计算方法  55-56
  4.3 计算结果与讨论  56-66
    4.3.1 S0和 T1态的分子构型  56-57
    4.3.2 前线分子轨道  57-59
    4.3.3 光物理性质  59-66
  4.4 小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-75
攻读硕士期间所发表的学术论文  75-77
致谢  77-78

金属铱配合物光物理性质与结构关系的理论研究

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