目前,要改进有机发光二极管(OLED)的效率和寿命,已经到了在 分子级别 对材料性质进行微调的水平。在材料科学中,分子模 拟已经成为与实验技术广泛 结合的研究手段。在高通量筛选 方面,通过计算进行预筛选,大大降低了实验方 面合成与新材料 测试的成本。在分子水平,有一些性质对 OLED 的效率和寿命 有 很大影响。
Sci.Technol. Adv. Mater. 15 (2014) 054202
OLED 的构造与工作原理如上图所示。
OLED 在工作的时候,从阳极来的正电荷(空穴)与从阴极来的 电子重新结合, 形成激发态:激子。激子通过发光弛豫到基 态。其他弛豫到基态到方式,往往产 生热量并对器件有害。
电子与空穴具有量子力学中“自旋”的特性。量子力学决定了在 空穴与电子重新 结合的时候,25%的激子为单重态,75%形成三 重态。在纯净的有机材料中,只有 单重态激子能发光,也就是所谓的荧光。根据量子力学的定律,理论上的最高效 率为 25%。
现在的器件里面,加入了金属配合物,这能导致三重态激子也能 发光,也就是磷 光。并且通过系间窜跃,单重态激子也会有一部 分窜跃到三重态,并发射磷光。 量子力学与相对论效应(自旋 性质与绕原子核的轨道运动角动量耦合)的存在, 导致两种过 程都会发生。旋轨耦合通常在比较重的元素中存在。
有机电子学电荷迁移率模拟
计算化学可以用于研究电荷从一个分子迁移到另一个分子的迁 移能力(电子耦 合)。如下图所示:
根据有机分子晶体中近邻分子的取向不同,电荷在特定方向的 迁移能力可能高 于其它方向。通过计算,已经正确地预测了一 系列有机半导体的这种各向异 性: First-Principle Investigation
模拟OLED磷光
使用结合相对论效应的ADF软件,通过激发态计算可以预测磷 光的寿命,也可 以通过类似的计算估计出系间窜跃率。通过修 改OLED器件中的磷光体分子, 可以得到不同颜色的磷光,尤其可以优化辐射速率。一些OLED材料生产企 业,已经使用分子 模拟来预测磷光体的辐射寿命: Adv. Mater., 22, 5003-5007 (2010)；J. Phys. Chem. C 117, 25714-25723(2013)
好的OLED材料,磷光发射效率应该比较高。计算化学可以在不 进行实验过程 的情况下,模拟这个问题。计算也可以预测不同 过渡金属的磷光发射性质,而 不仅限于常用的铱配合物(如下图)。
预测了23中不同过渡金属配合物的辐射寿命,除Rh配合物 Rh(bpy)33+ 之外,都得到了与实验一致的结果。
OLED中其它重要的分子过程与激子的非辐射弛豫有关。尤其 是激子与电荷的 重新结合(激子-极化子耦合),以及其它激子 (激子-激子湮灭)会降低发 光效率并通过发热导致在分子水平 上损坏器件。这些性质也可以使用计算化学 的方法进行研 究。
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