蓝光过渡金属配合物的结构设计与性质调控

In the study of OLED, quantum efficiency can be enhanced by involvement of heavy transition metals in transition metal complexes because of the effective use of the radiation decay of triplet excitons. This has casued particular interests in this field. Red, green and blue colors are the three basic colors for full color display. Up to now, relative to materials with the high efficient red and green colors, materials with high efficient phosphorescent blue color are less. Therefore, it is demanding to desgin and synthesize the materials with high efficient phosphorescent blue color. In addition, the quantitative evaluation of quantum efficiency is still a challenging work and is a bottleneck for the design of new materials. This means that finding the key factors and their regularity which governs the quantum efficiency is very important for designing new materials. Further, the obtained regularity can also be used to evaluate the quantum efficiency quantitively. In this project, the geometries, electronic structures, injection and transport properties of carriers, as well as spectroscopic properties of transition metal complexes will be studied by quantum chemical methods. The key factors and their regularity that influence the quantum efficiency will also be studied. We hope that our studies will provide useful guide for tailoring and controlling new blue color materials with high efficiency and color purity.

在发光材料领域，过渡金属配合物由于重金属原子的引入使其可以有效的利用三线态激子的辐射衰减来提高电致发光效率，进而引起人们的极大兴趣。红绿蓝三基色是实现全色显示的关键。目前，相对于高效的绿光和红光磷光材料而言，高效的蓝光磷光材料相对较少。因此设计合成高效的蓝光磷光材料势在必行。此外,关于影响磷光发光效率的因素是一个目前尚未解决的问题，是制约新材料设计的一个瓶颈。因此，找出影响蓝光磷光发光效率的关键功能基元及其规律性，对于新材料设计是非常重要的，同时也可以通过得到的规律为将来磷光发光效率的定量精确计算提供指导。本项目利用量子化学方法，将对过渡金属配合物的几何结构、电子结构、载流子注入和传输性质以及光谱性质进行深入研究，探讨影响蓝光磷光材料发光效率的关键功能基元及其规律性，为设计新型高效蓝光磷光材料提供理论依据。并利用得到的规律进行分子剪裁与调控，设计具有高发光效率、色纯度高的蓝光磷光配合物。

近年来，过渡金属磷光配合物在有机发光二极管(OLED)应用方面受到了非常广泛的关注。由于过渡金属原子诱导的自旋轨道耦合(SOC)作用能够在很大程度上排除T1→S0的自旋禁阻跃迁性质，因此，这类配合物能够充分利用单线态激子和三线态激子而发光，进而使得这类磷光OLED器件的内量子效率在理论上可以达到100%。其中，Ir(III)配合物由于具有较高的热稳定性、较短的激发态寿命和较高的量子效率，并且发射光谱可覆盖整个可见光区域，已经被广泛地应用到OLED器件中。本项目选取了一系列环金属化的Ir(III)配合物，利用密度泛函理论(DFT)对其几何结构、吸收/发射光谱和电致发光性质进行了系统的理论研究。得到的主要结果如下：(1) 对比研究了改变主配体和辅助配体对一系列Ir(III)配合物的电子结构、吸收/发射光谱以及电荷传输性质的影响。结果表明，改变辅助配体对前线分子轨道的能级和分布有很大影响，进而导致跃迁性质和发射光谱的变化。而通过改变主配体，使得配合物的电荷传输及平衡能力有所提升。(2) 对一系列分别含有共轭和非共轭NHC卡宾配体的Ir(III)配合物的电子结构、光谱性质以及电致发光性质的研究表明，在非共轭的NHC卡宾配体中插入亚甲基(-CH2-)能够增大能隙，但使得吸收光谱的强度减弱。而发射光谱受共轭-非共轭配体效应的影响则不大。含有非共轭NHC卡宾配体的Ir(III)配合物具有较高的量子效率和较好的电荷传输性能，是潜在的蓝色磷光OLED材料。(3) 对一系列分别含有一个和两个N^N’配体的Ir(III)卡宾配合物(fpmi)2Ir(N^N’)和(N^N’)2Ir(fpmi)的电子结构和光物理性质的研究表明，随着N^N’配体中N取代基数目的增加，配合物(fpmi)2Ir(N^N’)的能隙依次降低，而(N^N’)2Ir(fpmi)的能隙则依次增加。同时，增加N取代基数目使得配合物的发射光谱发生蓝移，配合物量子效率的大小与N^N’配体的改变关系很大，含有吡啶二唑基配体的配合物(fpmi)2Ir(N^N’)是高效的磷光OLED材料。