AMS在有机发光显示材料中的应用

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概述

由于智能手机电子屏等巨大市场规模,OLED材料和有机电子学是一个非常活跃的研究和工业发展领域。有机发光显示材料的研究是一个综合性的系统工程问题,有分子层面的问题,也有工艺等等层面的问题。在分子层面,电子的激发形成激子、载流子的迁移、分子激发态的内部转换以及发光过程,目前已经有相当完善的理论研究方法和工具。

ADF模块具有一些独特的工具来模拟这些分子水平上的过程问题,如电荷传输、激子耦合和发光效率等。对优化有机电致发光二极管(OLED)、有机场效应晶体管(OFET)、光伏电池(PV和OPV)和染料敏化太阳能电池(DSSC)等有机电子器件中的材料性能而言,这些分子过程非常重要。

AMS提供的模型和工具

  • 材料结构与电子结构
    • 通过ZORA、X2C方法精确考虑相对论自旋轨道耦合效应
    • 包含最新的色散修正泛函,以及高精度泛函,准确预测分子结构以及分子间作用
    • 使用高精度STO/NO基,优化分子晶体结构
    • 分子能级与轨道
    • 带电场、溶剂环境的表面-分子相互作用
  • 电子激发与内部转换
    • 高效并行TDDFT计算,支持大分子激发态计算
    • 吸收光谱
    • 量子点的光吸收与发射
    • 预测发光颜色
    • 预测磷光寿命和零场分裂
    • 通过Franck-Condon因子的计算,得到Huang-Rhys因子
    • 通过计算旋轨耦合矩阵元计算系间窜跃速率(ICR)
    • 通过优化单重态-三重态能差、最大SOCME,进行TADF材料筛选
  • 载流子输运
    • 转移积分
    • 重整能
    • 载流子迁移率

研究实例

实例1:OLEDs双极性磷光基质材料的XPS和NEXAFS研究

A. Guarnaccio, T. Zhang, C. Grazioli, F. Johansson, M. Coreno, M. de Simone, G. Fronzoni, D. Toffoli, E. Bernes, C. Puglia

PPT Isolated Molecule and Its Building Block Moieties Studied by C 1s and O 1s Gas Phase X-ray Photoelectron and Photoabsorption Spectroscopies

J. Phys. Chem. C 2020, 124, 9774−9786

单通道的Kohn-Sham DFT理论结合跃迁势(Transition Potential),能够考虑核空穴形成的大部分的电子弛豫效应,从而描述轻原子的K-壳层NEXAFS光谱。这种方法提供了一组正交轨道,从中可以得到跃迁偶极矩。

K壳层NEXAFS光谱是通过对每个非等效原子位的激发光谱进行单独计算,并将其贡献按相对权重相加得到的。这样就可以将总的光谱性质反卷积到不同组分中,从而有助于将光谱特征分解到分子的特定部位。

这种方法,最近被应用到2,8-bis-(diphenylphosphoryl)-dibenzo[b,d]thiophene(PPT)的C1s和O1s NEXAFS光谱的模拟,这是最近引入OLED中的一种双极性磷光主体材料,用于解释在Trieste的电子同步加速器气相束线处获得的实验光谱。

PPT可以认为是由两个二苯基氧化膦(dPPO)部分,对小二苯并噻吩(DBT)核心官能化而形成。在C的K-边的DFT-TP计算表明,PPT的C1s谱主峰归属于dPPO臂的苯环,而第二弱峰则归属于PPT DBT核的苯环部分。

本研究的结论对OLED的未来应用具有重要意义:PPT的氧化膦基团是PPT的DBT核与外层基团之间π共轭的断裂点。然而,这些基团在很大程度上不影响DBT中心部分的电子性质。

 


实例2:

Zhaobo Zhou, Xianghong Niu, Liang Ma, Jinlan Wang

Revealing the pH‐Dependent Photoluminescence Mechanism of Graphitic C3N4 Quantum Dots

Advanced Theory and Simulations, 2019, 2, 1900074

石墨相氮化碳g-C3N4量子点是一种被广泛研究的荧光材料,其光致发光特性体现出pH值依赖性。然而不同的实验中,观察到性

能相反的变化趋势,其机理尚不清楚。东南大学王金兰教授课题组基于含时密度泛函理论(TDDFT)和非绝热分子动力学模拟,提出中性和酸性条件下g-C3N4量子点光吸收与辐射/非辐射复合的协同机制。特别是在弱酸性条件下,g-C3N4量子点的强光吸收和弱非辐射复合,导致荧光发射较强。而在强酸性条件下,虽然光吸收仍然很高,但快速的非辐射电子空穴复合大大降低了激发态的布居,从而导致荧光猝灭。

N原子的质子化作用改变了跃迁通道的轨道组成和前线分子轨道重叠,从而调节了辐射和非辐射复合之间的竞争以及发光性能。此外,不同官能团的g-C3N4量子点的吸收和发射特性的变化趋势没有明显变化,这表明了该机理解释的普适性。DFT/TDDFT计算采用ADF,分子动力学模拟采用NAMD完成。


实例3:碳量子点氨基官能化光致发光机理研究

Evgeny V. Kundelev, Nikita V. Tepliakov, Mikhail Yu. Leonov,Vladimir G. Maslov, Alexander V. Baranov, Anatoly V. Fedorov, Ivan D. Rukhlenko, Andrey L. Rogach

Amino Functionalization of Carbon Dots Leads to Red Emission Enhancement

J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 17, 5111-5116

具有亮红色光致发光(PL)的碳量子点显著拓宽了它们在生物和光电子领域的应用,悉尼大学Evgeny V. Kundelev与香港城市大学Andrey L. Rogach课题组,提出理论模型成功预测碳量子点的氨基官能化不仅让红光偏移到更长波长,而且能够保持碳量子点基础辐射跃迁较强的振子强度。该模型考虑了氨基官能化碳量子点的光学相应,而这是由类似分子的稠环芳烃子亚单元决定的,其中有1~3个氨基修饰于碳量子点表面。

这些亚单位的激发态的具有鲜明特征:氨基和碳量子点的碳芯之间的强电荷分离。这导致了碳量子点光发射的斯托克斯位移。碳量子点表面的氨基数量越大,斯托克斯位移越强。该理论模型解释了实验观察了碳量子点光致发光对激发波长的依赖性。

所有理论计算使用AMS种ADF模块完成,溶剂化效应对发光的影响,使用COSMO溶剂化模型考虑。


实例4:OLED材料的电致发光机理研究
  • P.K. Samanta, D. Kim, V. Coropceanu, J.-L. Brédas, Up-Conversion Intersystem Crossing Rates in Organic Emitters for Thermally Activated Delayed Fluorescence: Impact of the Nature of Singlet vs Triplet Excited States, J. Am. Chem. Soc. 139, 4042-4051 (2017)
  • Y.Olivier, B. Yurash, L. Muccioli, G. D’Avino, O. Mikhnenko, J. C. Sancho-García, C. Adachi, T.-Q. Nguyen, D. Beljonne, Nature of the singlet and triplet excitations mediating thermally activated delayed fluorescence, Phys. Rev. Materials 1, 075602 (2017)
  • Y.Olivier, J.-C. Sancho-García, L. Mucc
  • ioli, G. D’Avino, D. Beljonne Computational Design of Thermally Activated Delayed Fluorescence Materials: The Challenges Ahead, J. Phys. Chem. Lett. 9, 6149-6163 (2018)

文献复现中文教程

其他参考资料:

立即试用AMS

http://www.scm.com/free-trial