分子尺度探究有机发光二极管中蓝色磷光材料的结构稳定性

The organic phosphorescent light-emitting diode (PhOLED) is the core component for the development of transparent display and lighting equipment. However, there exist structural instability phenomena of blue phosphorescent materials, and the factors that affect the stability of phosphorescent materials are unclear, which seriously affect the blue PhOLED service lifetime and severely restricted its practical applications. To solve this problem, in this project we use the theoretical method of quantum mechanics and molecular mechanics to investigate the stability of blue phosphorescent materials (FIrpic, FIr6, FIrN4) from sky-blue to deep blue at the molecular scale. Through systematically studying the electronic structure of the phosphorescent material in different states (obtained an electron, a hole or an exciton), clarify the relationship between electronic structure and molecular structure stability, and elucidate the effects of host materials and external electric field on the electronic structure and molecular stability. The implementation of this project will provide a theoretical guidance for the design of long-life phosphorescent materials, and promote the practical application of PhOLED devices.

有机电致磷光发光二极管（PhOLED）是发展透明显示和照明设备的核心部件。然而，PhOLED中的蓝色磷光材料存在突出的结构不稳定问题，目前对引起其结构不稳定的因素尚不明确，这使得蓝光PhOLED使用寿命普遍偏短，因而严重制约其实际应用。针对这一问题，本项目拟利用量子力学和分子力学相结合的理论方法在分子尺度下研究从天蓝到深蓝的三种蓝色Ir(Ⅲ)配合物磷光材料（FIrpic，FIr6，FIrN4）的结构稳定性。通过系统研究磷光材料处在不同状态（指获得电子、空穴或激子）时的电子结构，澄清电子结构与材料结构稳定性的关系，并阐明主体材料及外电场对磷光材料电子结构及稳定性的调控规律和作用机理，为发展长寿命磷光材料提供理论依据，并推动PhOLED器件实际应用。

有机电致磷光材料是可以充分利用单线态和三线态激子的高效发光材料，理论上可达到100%的内量子效率，是发展透明显示、户外显示和白光照明等具有高亮度要求的机电致磷光发光二极管（PhOLED）的关键材料。然而，随着PhOLED器件发光亮度和效率大幅提高时其使用寿命却普遍偏短，其中蓝光PhOLED器件使用寿命偏短表现的最为突出和严重，主要是由于蓝色磷光材料存在突出的结构不稳定问题，这使得蓝光PhOLED使用寿命普遍偏短，因而严重制约其实际应用。针对这一问题，本项目利用量子力学和分子力学相结合的理论方法在分子尺度下研究了常用蓝色磷光材料FIrpic、FIr6、FIrN4在不同电子状态下的结构稳定性，通过系统研究磷光材料处在不同状态（指获得电子、空穴或激子）时的电子结构及影响磷光材料稳定性的关键因素，我们评估了FIrpic异构体在不同电子态（即基态，阴离子，阳离子，最低单线态和三线态激发态）的降解机理，揭示了异构体是影响蓝色磷光材料电子结构与化学稳定性及寿命的主要原因之一，提出了降低FIrpic合成温度以提高稳定异构体组分，从而提高整体材料稳定性的途径；同时提出了一种新理论方法来定量表述PhOLED中磷光材料的稳定性，为研究光电材料稳定性奠定了理论基础；采用第一性原理分子动力学模拟（AIMD）和波函数分析方法(包括：电子密度拓扑分析、分子中的原子分析（AIM）和电子定域化函数分析)系统研究了FIrpic、FIr6和FIrN4三种磷光材料在基态、阴离子和阳离子状态下的电子结构演化过程，证实了在不同的电子态结构下，不同的化学键影响着磷光材料的结构稳定性，研究结果表明其中FIr6较FIpric和FIrN4表现出具有更高的稳定，可用于发展具有长寿命的蓝色磷光材料；同时，依托于本项目，研究团队还拓展了相关研究技术以研究影响有机太阳能电池中的非富勒烯电子受体材料使用寿命的相关工作，设计了一列些具有高效率和长寿命的非富勒烯电子受体材料。