磷光Pt(Ⅱ)、Ir(Ⅲ)配合物的分子设计及光失活机制的理论研究

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本文采用密度泛函理论和含时密度泛函理论对一系列磷光金属 Pt(II)、Ir(III)配合物的发光性质和三重态失活机制进行了详细的探究。在工作初始阶段,我们针对一系列不同取代基修饰的ppy(2-苯基吡啶)Pt(acac)(乙酰丙酮)配合物,通过探讨取代基对发光颜色及磷光量子产率的调节,得出配合物分子结构与性质之间的关系。在之后的工作中,我们主要集中于研究叔丁基对四齿铂(II)配合物三重态失活机制的影响、π共轭对二齿 NHC(氮杂环卡宾)铂(II)配合物的刚性和三重态失活机制的调节以及双发射磷光铱(II I)配合物的发光机制。研究表明,利用强吸电子或供电子取代基修饰铂(II)配合物可以有效的调节配合物的发光颜色和磷光发射效率。通过对铂(II)配合物和铱(II)配合物光失活机制的研究,我们发现叔丁基数目的增加对四齿铂(II)配合物的三重态热失活路径几乎没有影响,但是对辐射过程和与温度不相关的非辐射过程影响较大。在二齿NHC(氮杂环卡宾)铂(II)配合物合适的位置增加π共轭可以有效的增加分子的刚性,同时避免热失活过程的发生,从而得到高效的磷光材料。因此,对于磷光金属配合物三重态失活机制的研究,不仅可以从理论上进一步加深对其发光机理的认识,而且可以为更准确的设计高效磷光材料提供指导和依据。文本的研究工作主要包括以下四个方面:  1.探讨不同主族基团修饰的铂(II)配合物获取应用于OLED的高效蓝光材料的理论研究  在此研究中,五个二齿配体的环状金属Pt(II)配合物作为研究对象来探究了不同主族基团对金属配合物的电子结构、光物理性质和辐射失活过程的影响。为了对这些Pt(II)配合物的性质有更好的理解,我们运用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)计算了配合物的基态和三重激发态的结构、吸收光谱和发射波长。同时,考虑(或包含)自旋-轨道耦合的含时密度泛函(SOC-TDDFT)用来计算零点场劈裂(ZFS)、辐射速率和辐射寿命来揭示这些配合物的辐射失活过程。结果表明将不同性质的主族基团用以取代[Pt(ppy)(acac)]配合物苯环的4位不仅能在很大程度上影响分子和电子结构、吸收和发射性质,而且对于辐射失活过程也有很大的影响。此外,通过计算得出五个配合物的发射波长变化范围是434到562nm。在所有研究的配合物之中,设计的配合物4展现出最大的作为高效深蓝色发光材料用于有机发光二极管的潜力。  2.理论探究Pt[O^N^C^N]配合物的光失活路径  本文用DFT/TDDFT方法探究了叔丁基对Pt[O^N^C^N]配合物的三重态失活路径的影响。为了更为深入的探索对磷光辐射过程起决定性的因素,我们计算了基态与单重激发态之间的跃迁偶极矩,最低三重态和单重激发态之间的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元和相应的能隙。结果表明,相比于Pt-3,Pt-1和Pt-2具有更大的最低三重态和单重激发态之间的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元,这使得它们具有更快的辐射衰变过程,也就是更大的辐射速率常数。此外,为了揭示与温度不相关的非辐射衰变过程,我们也计算了最低三重激发态和基态之间SOC矩阵元。与此同时,通过构建三重态势能面图,我们对与温度相关的非辐射衰变过程做了相应的探究。  3.理论探究(C^C*)铂(II)NHC配合物的磷光量子产率:π共轭控制辐射和非辐射过程  本文中,我们利用密度泛函理论和含时密度泛函理论详细揭示了四个(C^C*)铂(II)氮-杂环卡宾(NHC)配合物的辐射和非辐射失活过程。在计算单重态-三重态分裂能,跃迁偶极矩,以及最低三重态和单重激发态之间的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元的基础上探究π共轭对(NHC)Pt(acac)(NHC=氮-杂环卡宾,acac=乙酰丙酮)配合物性质的影响,以及对辐射过程起着决定作用的因素。此外,关于最低三重态和基态之间的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元和黄昆因子的计算用来描述与温度无关的非辐射衰变过程。与此用时,我们构建了三重态势能面来阐述与温度相关的非辐射过程。计算结果表明,由于Pt-1具有更大的最低三重态和单重激发态之间的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元,导致了其具有比 Pt-2-4更快的辐射速率。然而,配合物Pt-2-4具有比Pt-1更小的黄昆因子,最低三重态和基态之间的自旋-轨道耦合(SOC)矩阵元和更高的活化能垒,这表明了配合物Pt-2-4拥有更小的非辐射速率常数。基于这些结果,可以很好的解释为什么Pt-2具有比Pt-1更大的磷光量子产率,同时,可以推断出对于整个光失活过程,非辐射失活过程起到了一个很重要的作用。除此之外,根据配合物Pt-2,我们设计了配合物Pt-5来探究取代基对刚性(NHC)Pt(acac)配合物光失活过程的影响。  4.双磷光发射:理论揭示一个中性铱(III)配合物的光失活机制  在本文,一个中性铱(III)配合物的光失活机制通过密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)得以详细研究。为了分析铱(III)配合物的磷光量子产率,在包含自旋-轨道耦合(SOC)的TD-DFT帮助下,我们计算了两个相应发光态的辐射速率常数。同时,跃迁偶极矩,三重激发态和单重激发态的能隙,SOC矩阵元也运用来阐述对应的辐射速率常数。此外,对于非辐射衰变过程探究,我们主要考虑了与温度不相关和温度相关的非辐射过程。根据计算结果,我们可以清晰的发现不同的发光三重态的顺序对于金属配合物的磷光量子产率起着至关重要的作用,这对于磷光配合物的光失活性质的全面认识也具有积极作用。
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