典型有机载流子传输材料的理论研究

论文摘要

本论文利用密度泛函方法、Marcus电荷转移理论的跳跃机制结合经典粒子无规则扩散模拟对四类典型载流子传输材料进行了一系列的研究。首次在理论上定量研究了多晶相与载流子传输性质的关系。对Bathocuproine及其类似物的光物理和电子传输性质进行了理论表征。结果表明:在邻菲啰啉的4、7和2、9位引入取代基时会使电子重组能增大,不利于电子传输;但在2、9位引入共轭基团时使电子重组能减小,提高了电子传输能力;可以通过调节LUMO和HOMO轨道能来调节最低三重态能级,改变其激子阻挡能力;筛选出了3种比4,7-二苯基-1,10-菲啰啉（BCP）更好的空穴阻挡材料。对喹吖啶酮的光物理性质和载流子传输性质进行了理论研究。成功表征了喹吖啶酮的吸收和发射性质,揭示了吸收、荧光和磷光过程中的电子跃迁特征;溶剂对光谱的影响是由于溶剂提升了HOMO轨道能级所致;晶相αI和β的空穴迁移率大于电子迁移率,晶相γ的电子迁移率大于空穴迁移率,晶相αII的电子和空穴的迁移率接近;不同晶相载流子迁移率存在差别主要是由分子堆积不同导致轨道作用的模式不同所致。对6种典型三芳胺类物质的载流子迁移率进行了定量计算。结果表明:6种化合物的载流子迁移率在10-2-10-3数量级,增大分子中联苯基团的两苯环的共平面性和增加整个分子体系的平面性都可以起到降低内重组能,提高材料空穴迁移率的作用。N,N′-二苯基-N,N′-（1-萘基）-1,1′-联苯-4,4′-二胺（NPB）不但是良好的空穴传输材料,而且其电子传输性能优于其空穴传输性能。对三（8-羟基喹啉）铝不同晶相和分子异构体对载流子迁移率的影响进行了理论探索。晶相α和β的电子迁移率大于空穴迁移率,晶相ε空穴迁移率稍大于电子迁移率;晶相γ和δ的空穴迁移率大于电子迁移率。单分子构型和分子堆积方式的不同是造成载流子迁移率存在差异的根本原因,不同晶相载流子传输能力的差别可以从单分子的前线轨道图得到定性解释。总之,分子间轨道耦合的大小是决定载流子传输的主要因素之一,通过调控分子间的C-H…π、氢键及π-π等弱相互作用可以改变分子间轨道作用方式,进而改变轨道耦合大小。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 有机载流子传输材料的种类
• 1.2.1 电子传输材料
• 1.2.2 空穴传输材料
• 1.2.3 双极性传输材料
• 1.3 几类典型有机载流子传输材料
• 1.3.1 三芳胺类传输材料
• 3'>1.3.2 传输材料 Alq₃
• 1.3.3 菲啰啉类传输材料
• 1.3.4 喹吖啶酮类传输材料
• 1.4 有机载流子传输材料的应用
• 1.4.1 有机电致发光
• 1.4.2 有机场效应晶体管
• 1.4.3 有机太阳能电池
• 1.5 载流子迁移率的表征和测定
• 1.6 影响载流子迁移率的因素
• 1.7 有机光电功能材料的理论化学研究
• 1.8 有机载流子传输材料的理论研究
• 1.8.1 有机晶体电荷传输理论
• 1.8.2 局域电荷传输理论—Marcus 电荷转移扩散
• 1.9 研究思路和主要成果
• 1.9.1 研究思路
• 1.9.2 主要成果
• 第2章 理论基础和计算方法
• 2.1 量子化学计算原理及方法
• 2.1.1 量子化学的发展和应用前景
• 2.1.2 从头算方法
• 2.1.3 半经验计算方法
• 2.1.4 密度泛函理论
• 2.1.5 时间依赖密度泛函理论
• 2.2 电子激发态理论
• 2.3 光化学基本原理
• 2.3.1 电子光谱理论
• 2.3.2 选择定则
• 2.3.3 激发态的衰减
• 2.3.4 吸收和辐射的关系
• 2.4 溶剂化效应
• 2.4.1 溶剂化效应研究的基本思想
• 2.4.2 溶剂化效应的反应场模型
• 2.5 载流子迁移率的计算方法
• 2.5.1 重组能的计算方法
• 2.5.2 传输积分的计算方法
• 第3章 Bathocuproine 和类似物的光物理及载流子传输性质
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 基态和激发态的几何构型
• 3.3.2 分子轨道、激发能和发射能
• 3.3.3 能隙
• 3.3.4 空穴阻挡和电子注入
• 3.3.5 电子传输
• 3.4 本章小结
• 第4章 喹吖啶酮的光物理及载流子传输性质
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 几何结构
• 4.3.2 吸收光谱
• 4.3.3 发射光谱
• 4.3.4 载流子传输
• 4.4 本章小结
• 第5章 典型三芳胺类传输材料的空穴传输性质
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 分子几何构型
• 5.3.2 能隙、最低三重态能级、电子亲和能和电离能
• 5.3.3 空穴传输
• 5.4 本章小结
• 3 多晶相与载流子传输性质的关系'>第6章 Alq₃多晶相与载流子传输性质的关系
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 分子几何构型
• 6.3.2 载流子传输
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract