AMS 应用于发光显示材料研究案例集(二)

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电荷转移态中的自旋轨道耦合 阿姆斯特丹大学的研究人员研究了电子供-受体分子的扭曲对性质的影响。对于包含芘受体和二甲基苯胺供体的电子供体-受体体系,确定了自旋轨道耦合矩阵元(SOCME)、电荷分离的电子耦合,对构象的依赖性。 对热激活延迟荧光(TADF)、光动力疗法、三重态发光二极管而言,自旋轨道耦合效应起着决定性影响。作者在动力学和能量角度,讨论了旋-轨电荷转移系间窜跃 (SOCT-ISC) 机制,包括经典Marcus电子转移理论中,电荷分离、电荷复合的相关参数。自旋轨道耦合,在电荷复合到三重态过程中起着重要作用,可以通过TD-DFT 进行探索,同时TD-DFT也为理解和预测 SOCT-ISC 机制提供了有效途径。该研究用丙酮和 4-硫代胸腺嘧啶的自旋轨道耦合矩阵元作为基准。 关于这项工作的三个报告的视频资料,可以辅助读者理解如何在自己的工作中使用类似的方法: 芘-二甲基苯胺正交电荷转移态的自旋-轨道耦合_René Williams 使用计算化学来描述和理解SOCT-ISC机制_Davita van Raamsdonk 正交电荷转移态中的自旋轨道耦合_Shivan Bissesar 所有 ADF 输入文件(链接)。 Bissesar, D. M. E. van Raamsdonk, D. J. Gibbons, R. M. Williams, Spin Orbit Coupling in Orthogonal Charge Transfer States: (TD-)DFT of Pyrene-Dimethylaniline. Molecules 2022, 27 (3), 891. 热激子基 TADF 分子设计的理论探讨 近年来TADF过程的研究取得了诸多突破,但要进行更高效率和量子产率的TADF分子设计,还需要更多深入的理论机理上的研究。与传统(冷)TADF一样,基于热激子的TADF材料也可以有效地利用单重态和三重态激子,理论上产生100%的IQE。与冷TADF(从低激发T1到S1)不同,热TADF中的RISC过程发生在高激发三、单重激发态(Tm(m>1)与Sn(n>1))之间。设计满足热激子形成条件的材料,例如低三重态之间能隙足够大,而高激发单-三重态能级间隙足够小,仍然是相当困难的。 印度SRM大学化学系Jesni M Jacob、Mahesh […]

AMS 应用于发光显示材料研究案例集(一)

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Ru(II)-(双齿环金属化芳香配体)发色团的固有77K磷光特性和计算模型:其相对较低的非辐射速率常数源于发射态和基态之间的低自旋轨道耦合驱动的振动耦合振幅 作者研究了 Kasha 型发射 Ru(双齿环金属化芳香配体)、[Ru(pzpy)2(CM)]+ 离子发色团(CM=1-苯基异喹啉、2,3-二苯基吡嗪和1,4-二氮杂三苯撑,pzpy=2-吡唑-1-基吡啶)的光诱导弛豫。这是首次报道纯 Ru-(双齿 CM)发色团的磷光行为。磷光发色团的 77 K 光诱导弛豫特性表明,在 670-900 nm 的发射区域,发射量子产率高于参考 Ru-bpy(bpy=2,2′-联吡啶)发色团。Ru-CM 发色团的这种现象可以归因于它们在 77 K 非辐射速率常数(kRAD)下的异常低的幅度,尽管它们的辐射速率常数并不显著。为了研究 Ru-CM 和 Ru-bpy 发色团之间 77 K 光诱导行为弛豫的差异,我们使用了计算模拟,应用了 kRAD 的基本形式和与温度无关的 kRAD 方程,其中包括计算的自旋轨道耦合值。 Intrinsic 77 K Phosphorescence Characteristics and Computational Modeling of Ru(II)-(Bidentate Cyclometalated-Aromatic Ligand) Chromophores: Their Relatively Low Nonradiative Rate Constants Originating from Low Spin−Orbit Coupling Driven […]

Bumblebee – OLED与OFET器件模拟平台

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通过 3D 动力学蒙特卡洛,模拟载流子的扩散、光发射和器件随时间的退化,研究 OLED/OFET 材料的长期行为。了解缺陷形成、材料老化,以及电子、空穴在 OLED/OFET 层中的传输,帮助 OLED/OFET 器件效率与寿命提升研究。Bumblebee将 OLED/OFET 器件研发成本降低约60%,上市时间降低约40%。 方法模型 三维动力学蒙特卡洛 考虑堆叠中的纳米结构,包括传输、体异质结、染料敏化剂相互作用、聚合物排列和掺杂剂 非晶态无序导致分子性质的变化,如高能态密度和跃迁偶极排列 包括分子之间的长程静电相互作用 主客体分布、层界面、掺杂梯度、聚合物网络和其他复杂结构 功能清单 器件堆栈的优化 通过明确的堆叠形态和时间演变,研究堆栈中的微观过程,包括瞬态响应、小信号分析和脉冲实验 模拟最先进的 OLED/OFET 材料,包括TADF发射体和超荧光 模拟激子在主体和客体分子之间的分布、转移和捕获 复杂的光电过程:激子湮灭、极化子猝灭、三重态收获、激基复合物、振子耦合,Dexter、Förster激子传输 结合AMS软件模拟薄膜的物理气相沉积,计算材料分子IP、EA,偶极矩 光输出耦合,用于光管理 应用案例 堆叠形态对J-V曲线的影响模拟 内/外量子效率滚降 模拟不同电压下的事件分布,辅助筛选发射体与损失过程 发光寿命预测 延迟荧光时间演化特性模拟 T Serevičius, et al. – J. Phys. Chem. C 121.15 (2017): 8515 不同电压下的电子、空穴、(非)辐射衰减率、光生成速率、解离速率、湮灭与猝灭速率的层间剖面图 发光在层间的分布情况模拟 生成激子空间分布 载流子空间分布 Bumblebee应用案例教程 基本使用 Basic Usage Bulk Simulation […]

苯基邻位连接供-受体的苯并噻唑基二氟化硼化合物空间调控,用于OLED的TADF发光材料(ACS Appl. Mater 2024)

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摘要 乌克兰利沃夫国立理工大学设计、合成了两种咔唑电子供体、苯并噻唑稠合硼杂环受体,通过苯邻位连接的染料,并对其进行了光谱研究。由于硼杂环单元的空间效应,染料在晶态时表现出不同的构象。分子间大量氢键作用、分子堆积中非常弱的π-π堆积,导致强烈的固态发光,晶体的光致发光量子产率分别为40%和18%,基于主体的发光层的光致荧光量子产率为50%和42%。 这些化合物显示出聚集诱导发光和热激活延迟荧光(TADF)。电离势(IP)和电子亲和势(EA)值表明,所开发的染料具有良好的电荷注入能力和双极电荷传输性能。通过渡越时间测量,检测了染料层中的空穴和电子的传输。苯并噻唑基二氟化硼配合物在1.35 × 106 V cm-1 的电场下显示出1.5×10-4 和 0.7×10-4 cm2 V-1 s-1 的高电子迁移率。因此这些染料用作有OLED的发射体是非常成功的,其外部量子效率分别为 15% 和 13%。我们的研究标志着固态发射二氟化硼染料领域的一个关键进展,该染料可以作为 TADF 发射器应用于OLED。所得结果表明,苯邻位连接供体-受体染料中,受体单元的取向对 TADF 活性有显著影响。 其中逆向系间窜跃速率、自旋轨道耦合矩阵元,采用AMS软件中ADF模块计算得到。 参考文献 Sterically Tuned Ortho-Phenylene-Linked Donor–Acceptor Benzothiazole-Based Boron Difluoride Complexes as Thermally-Activated Delayed Fluorescence Emitters for Organic Light-Emitting Diodes, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c12662

电荷转移态中的自旋轨道耦合(Molecules 2022)

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摘要 阿姆斯特丹大学的研究人员研究了电子供-受体分子的扭曲对性质的影响。对于包含芘受体和二甲基苯胺供体的电子供体-受体体系,确定了自旋轨道耦合矩阵元(SOCME)、电荷分离的电子耦合,对构象的依赖性。 对热激活延迟荧光(TADF)、光动力疗法、三重态发光二极管而言,自旋轨道耦合效应起着决定性影响。作者在动力学和能量角度,讨论了旋-轨电荷转移系间窜跃 (SOCT-ISC) 机制,包括经典Marcus电子转移理论中,电荷分离、电荷复合的相关参数。自旋轨道耦合,在电荷复合到三重态过程中起着重要作用,可以通过TD-DFT 进行探索,同时TD-DFT也为理解和预测 SOCT-ISC 机制提供了有效途径。该研究用丙酮和 4-硫代胸腺嘧啶的自旋轨道耦合矩阵元作为基准。 关于这项工作的三个报告的视频资料,可以辅助读者理解如何在自己的工作中使用类似的方法: 芘-二甲基苯胺正交电荷转移态的自旋-轨道耦合_René Williams使用计算化学来描述和理解SOCT-ISC机制_Davita van Raamsdonk正交电荷转移态中的自旋轨道耦合_Shivan Bissesar 所有 ADF 输入文件(链接)。 参考文献 Bissesar, D. M. E. van Raamsdonk, D. J. Gibbons, R. M. Williams, Spin Orbit Coupling in Orthogonal Charge Transfer States: (TD-)DFT of Pyrene—Dimethylaniline. Molecules 2022, 27 (3), 891.

热激子基TADF分子设计的理论探讨(Materials Advances 2022)

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近年来TADF过程的研究取得了诸多突破,但要进行更高效率和量子产率的TADF分子设计,还需要更多深入的理论机理上的研究。与传统(冷)TADF一样,基于热激子的TADF材料也可以有效地利用单重态和三重态激子,理论上产生100%的IQE。与冷TADF(从低激发T1到S1)不同,热TADF中的RISC过程发生在高激发三、单重激发态(Tm(m>1)与Sn(n>1))之间。设计满足热激子形成条件的材料,例如低三重态之间能隙足够大,而高激发单-三重态能级间隙足够小,仍然是相当困难的。 印度SRM大学化学系Jesni M Jacob、Mahesh Kumar Ravva近期的研究中,探索、分析了分子设计的基本概念,并通过密度泛函理论建立热TADF分子的结构-性质关系,提出了一种分子设计策略。作者设计了一系列新的热激子机制施主(D)-π-受体(A)型分子,探索了新设计分子的电子特性,以助于设计“热激子”通道OLED材料。由于苯恶嗪(PXZ)和咔唑(CZ)的给电子能力适中,因此选择它们作为给电子单元,而吡嗪单元上的吸电子基团包括H、F和CN被取代为受体单元,使用CN化的萘噻二唑(NZ)和蒽噻二唑(AZ)单元连接供体和受体,设计出十二个D-π-A框架分子。这项研究可以为具有多个热激子通道的有机材料的分子设计方法带来新的见解,从而更好地利用激子。 参考文献 Theoretical Insights on Molecular Designing of Hot-Exciton based Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules, J. M. Jacob and M. K. Ravva, Mater. Adv., 2022, DOI: 10.1039/D2MA00039C

基于高效TADF咔唑金树状聚合物制备出溶液加工型OLEDs(Chem. Sci. 2021)

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香港大学化学系分子功能材料研究所,最近首次设计并合成了一类新的含C^C^N配体的咔唑金(III)树状大分子,其固态薄膜的光致发光量子产率高达82%,辐射衰减速率常数高达105 s−1。通过变温发射光谱、时间分辨光致发光衰减和计算研究,发现这些金(III)树状大分子表现出热激活延迟荧光(TADF)性质。并基于这些金(III)树状大分子,制备出溶液加工型有机电致发光二极管(OLED),其最大电流效率为52.6cd A−1,最大外部量子效率为15.8%,高功率效率为41.3 lm W−1。并记录了这些OLED的运行稳定性,基于零代和第二代树状大分子的器件在100 cd m-2下的最大半衰期分别为1305小时、322小时。 为了更深入地了解这些包含三齿配体的金(III)树状大分子的电子结构,以及吸收和发射的起源,作者进行了密度泛函理论(DFT)和TDDFT 计算。对基态、激发态分子结构、激发态,以及参与激发的分子轨道进行了系统性的分析,其中480-520 nm 的激发主要由HOMO → LUMO贡献。HOMO是主要位于咔唑部分的π轨道,而LUMO是主要位于中央苯环和C^C^N配体的吡啶基部分的π*轨道,因此,HOMO → LUMO跃迁可以认定为 LLCT [π(咔唑) → π*(C^C^N)] 跃迁,三种结构的吸收带及其光谱分配与实验结果趋势一致。 为了更深入地了解增加咔唑基单元对环金属化配体电子密度的影响,还计算了三种结构的基态静电势面。显然,由于树状咔唑取代基的吸电子作用,较高代咔唑基树枝的引入,导致更缺电子的吡啶基,这降低了辅助咔唑基N-供体配体上的电子密度,减少了其给电子的能力。咔唑基N-供体配体的供体强度较差,会使金属中心更加缺电子,通过σ效应从C^C^N钳形配体中吸取更多的电子密度。电子富集较少的金属中心对金属 dπ 轨道起到稳定作用,这反过来会导致 π* (C^C^N) 轨道较小程度的不稳定。总体而言,第二种结构的 HOMO-LUMO能隙 (3.04 eV)比第一种 (3.06 eV) 和第三种 (3.09 eV) 的能隙略窄,与实验趋势非常吻合。 为了更深入地了解发射态的性质,使用非限制性PBE0对T1进行了几何结构优化。三种分子的自旋密度主要位于 C^C^N 配体的咔唑基部分、中心苯环和吡啶基部分,从而支持发光态的LLCT [π(咔唑) → π*(C ^C^N)]特性。发射波长采用S0和T1优化几何结构之后的能量差近似,发射波长从第三种分子 (507 nm) 到第一种分子 (530 nm)与第二种分子 (534 nm)显现出红移特点,这与实验中观察到的趋势一致。 为了进一步了解 TADF 过程中涉及的激发态,使用包含Tamm-Dancoff 近似 (TDA) 的 TDDFT 优化了三种分子的S1和T1的几何结构。计算得到三种分子ΔE ST值分别为 0.005、0.006 和 0.004 eV。为了进一步了解第一种分子的的 […]

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 大体系高效激发态计算 单重激发态能量Sn 三重激发态能量Tn 自然跃迁轨道NTO ΔEST、重整能 激发态结构优化与频率计算 势能面最低交叉点MECP 磷光、荧光辐射跃迁寿命 聚集诱导发光 包括QMMM在内,DFT、半经验量子化学方法、力场的多尺度方法 考虑色散修正的分子晶体、团簇结构优化 多尺度方法TDDFT进行Sn、Tn激发态计算 多尺度方法的激发态振动频率计算 分子间载流子迁移速率、转移积分 激发态动力学 自旋轨道耦合矩阵元SOCME,ZORA、X2C方法更加精确、高效 Franck-Condon因子、Huang–Rhys因子,及其多尺度计算 分析转动、振动模式对Huang–Rhys因子、系间窜跃、内转换与发光的影响 (逆向)系间窜跃速率、内转换速率、辐射跃迁速率 发光量子产率PLQY、外部量子效率EQE AMS发展展望 2020年起,荷兰SCM公司与Simbeyond公司合作开发第一款完全集成的OLED多尺度仿真平台,结合两家荷兰公司在工业有机器件和原子级学术模拟中的优势,实现跨越分子到器件的工业研究, 目前已经开发出OLED材料数据库与流程化模拟脚本。(相关技术资料2022版) 其他参考资料: 有机电子学模拟讲义I 有机电子学模拟讲义II OLED相关墙报 有机电子学领域文章合集 特邀文集 中文教程库 立即试用AMS http://www.scm.com/free-trial 研究实例 实例1:无重元素高效持久室温磷光分子 Indranil Bhattacharjee, Shuzo Hirata Highly Efficient Persistent Room‐Temperature Phosphorescence from Heavy Atom‐Free […]

ADF-分子与团簇的DFT计算

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概述 ADF 是世界上最早的 DFT 计算软件,计算功能非常完善、全面,建模、分析用户界面对初学者非常友好,节点内、跨节点并行计算效率非常高效。 一般功能:电子与结构、谱学与非线性光学性质、化学反应、热力学性质、溶剂化效应等,并包括高精度GW方法精确计算分子解离能与亲和势。 光学材料:零场劈裂、激发态辐射速率与寿命、系间窜跃、自旋轨道耦合,高精度GW方法精确计算ΔES-T。为OLED器件模拟软件Bumblebee提供原子层级模拟数据输入,辅助OLED器件模拟。 重元素与配合物:重元素体系研究必备工具,包含高精度相对论方法ZORA、X2C,完善的轨道成分分析、以及最流行的化学键分析方法EDA-NOCV、IQA等。 功能列表 效率优势: 支持节点内、跨节点高效并行计算,对较大体系,千核并行也能达到非常高加速比 支持大体系计算,例如大体系吸收光谱 普通工作站,甚至台式机就可以计算几百原子的规模的TDDFT性质 方法优势: 精确相对论方法计算自旋-轨道耦合,擅长过渡金属、重元素体系,磷光与系间窜跃 限制性开壳层分子计算,及其 TDDFT 计算 GW方法(支持自旋轨道耦合):(G0W0、evGW、G3W2)方法精确计算 IP 与 EA、GW-BSE 方法精确计算 S0-T1 能隙 RPA近似:sigma-functional 泛函更新换代迅速(ADF 泛函列表),及时引入最新的重要泛函,例如 r2SCAN-3c、TASKxc、TASKCC、D4(EEQ) 色散修正等 高精度 STO 基组:对于重元素的电子轨道计算,其他基组很容易出现定性错误(例如轨道组分不正确),ADF 可靠性久经考验 QTAIM 与 Conceptual DFT,Constrained DFT,FDE 方法,收缩变分 DFT(CV(n)-DFT)用于单重态-三重态激发的计算(该功能不像普通的TDDFT那样被电荷转移激发所困扰)、配体场DFT(LFDFT)对 d → d和f → d电子转移的情况,令计算结果更可靠),基于LFDFT的 ESR g-张量双峰、XMCD 计算、DIM/QM(DRF 梯度) QM/MM与多尺度方法 功能列表: 能级分析 分子轨道MO投影到碎片轨道SFO、SFO可视化 分子能级与片段能级之间的关系 键合分析 […]

 
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