金属铱(Ⅲ)配合物光物理过程的理论研究

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在平板显示与固态照明领域,有机发光二极管(OLEDs)具有潜在的使用价值和广阔的应用前景,它吸引着大批科研工作者投身于发光材料的研究当中。OLED发光材料按照发光形式的不同,可以分为荧光材料和磷光材料。其中,磷光材料可以充分利用单重态和三重态激子,从而使其理论上内量子效率达到100%。如何设计并开发出合适的磷光材料,已经成为学术界和工业界共同关注的问题。金属铱(Ⅲ)配合物具有三重态寿命短、光致发光效率高、热稳定性和电化学稳定性好、发光颜色(红色、绿色、蓝色)可调等优点,被认为是目前最具前景的磷光材料之一。量子产率和发光颜色是反映OLEDs器件性能的重要指标,如果可以从理论上对铱(Ⅲ)配合物的磷光量子产率和发光颜色做出准确预测或评估,然后筛选并合成性能优良的磷光材料,就可以极大地缩短研发周期、降低研发成本。然而,很少有研究报道能准确预测铱(Ⅲ)配合物的量子产率和发光颜色。因此在本文中,我们运用了密度泛函理论(DFT)、二次响应含时密度泛函理论(QR-TD-DFT),并采用半定量以及定量的计算方法预测了一系列铱(Ⅲ)配合物的磷光量子产率,同时还模拟了配合物的振动分辨磷光光谱,并探究了改变次配体和溶剂效应对磷光铱(Ⅲ)配合物光物理过程的影响。具体的研究内容主要包括以下三个部分:(1)研究了以噻吩苯基喹啉为主配体的两种磷光铱(Ⅲ)配合物的磷光性能,其中一种是实验已报道配合物,能发出红色磷光;另一种是将次配体替换为1,3,4-噁二唑衍生物后新设计的配合物。从计算的磷光光谱可看出,新设计的配合物比实验已报道配合物的光谱红移了31 nm,是一种潜在的深红色磷光材料。进而用定量的方法计算了它们的辐射跃迁速率常数,并用定性的方法预测了其非辐射跃迁速率常数。结果表明,新设计的配合物的辐射跃迁速率常数和非辐射跃迁速率常数都比实验已报道配合物的大。(2)研究了以2-(4-氟-3-(三氟甲基)-苯基)吡啶(4F-3CF3ppyH)为主配体的六种铱(Ⅲ)配合物的磷光性质(其中两种配合物为实验已报道的,另外四种为新设计的)。计算了振动分辨磷光光谱,对其实验光谱进行详细的解释:最强的发射峰主要是由0-0跃迁产生的;强肩峰可以归属为由苯环和吡啶环骨架振动以及C-H面外摇摆振动共同引起的。研究发现这六种配合物都可以发出蓝色磷光。为了得到磷光量子产率,定量地计算了其辐射跃迁速率常数,并用半定量的方法预测了非辐射跃迁速率常数。结果表明,五种配合物的量子产率均超过0.85。因此,它们都有希望成为潜在的蓝光磷光材料。(3)研究了五种以2-(2,5,2’,3’,4’,5’,6’-七氟联苯-4-基)吡啶(HFYP)为主配体的铱(Ⅲ)配合物的振动分辨磷光光谱,其中包含一种实验报道的配合物和四种新设计的配合物。振动分辨磷光光谱的计算表明,配合物的磷光光谱主要存在两个强的发射峰,其中较短波长处发射峰主要由配体平面转动等低频振动模的跃迁引起,较长波长处发射峰主要由HFYP1配体上的苯环和吡啶环骨架振动以及吡啶环的C-H键面内弯曲振动共同引起。通过计算辐射跃迁速率常数(kr),系间窜跃速率常数(k ISC)以及与温度相关的非辐射跃迁速率常数(knr(T))得到了磷光量子产率。结果表明对于主配体为HFYP的铱(Ⅲ)配合物,次配体为吡啶-2-基-1,2,4-三氮唑和1,2-二氮唑-5-基-吡啶时量子产率相对较高,而次配体为2’-氧苯基-2-噁唑时量子产率很低,这主要是因为后者具有相对较大的knr(T)。
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