中文题名: | 过渡金属配合物光诱导电子和能量转移与热活化延迟荧光的理论研究 |
姓名: | |
保密级别: | 公开 |
学科代码: | 070304 |
学科专业: | |
学生类型: | 博士 |
学位: | 理学博士 |
学位类型: | |
学位年度: | 2022 |
校区: | |
学院: | |
研究方向: | 理论及计算光化学 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
提交日期: | 2022-06-13 |
答辩日期: | 2022-05-27 |
外文题名: | Theoretical Study on Photoinduced Electron and Energy Transfer and Thermally Activation Delayed Fluorescence of Transition Metal Complexes |
中文关键词: | |
外文关键词: | Computational simulation ; Nonadiabatic dynamics ; non-radiative transition rate ; thermally activation delayed fluorescence ; Photoinduced electron transfer ; Excited state energy transfer |
中文摘要: |
过渡金属配合物具有丰富的光电性质,被广泛应用于液晶显示、光传感、光催化、生物成像、光动力治疗等诸多研究领域,例如,光伏器件领域和第三代基于热活化延迟荧光(TADF)的有机发光二极管领域。为了理性设计基于过渡金属配合物的高性能器件材料,揭示光电转换及发光过程的微观机制极其重要。不同于有机分子,过渡金属配合物的激发态电子结构极其复杂,不仅涉及金属中心d-d电子激发态,而且有机配体和金属原子之间存在许多不同类型的电荷转移态。更为复杂的是,这些激发态的电子结构及能级顺序深受有机配体和金属中心之间相互作用的影响。因此,过渡金属配合物的光物理研究对实验和理论都是极具挑战的前沿课题之一,其中理论与计算模拟起着重要且与实验研究互补的作用。在本文中,我们采用激发态电子结构计算方法及辐射和无辐射跃迁速率常数理论方法,对几类过渡金属配合物的激发态电子和能量转移与热活化延迟荧光展开了系统的理论研究,其主要内容如下: 以锌酞菁(ZnPc)和富勒烯(C60)为电子给体和受体的有机光伏器件表现出了优异的能量转换效率,但是ZnPc和C60之间电子和能量转移微观机理仍不清楚。围绕这一问题,我们在论文的第三章中系统研究了ZnPc和C60给受体之间空间取向和化学键链接方式对ZnPc-C60复合物激发态性质及其动力学过程的影响。(1) 我们首先研究了空间取向对ZnPc-C60复合物的激发态电子转移过程的影响。基于构建的face-on和edge-on两种不同空间取向的复合结构,我们对它们进行了激发态电子结构计算和非绝热动力学模拟,发现虽然它们的吸收峰都来自ZnPc上的局域激发(LE),但不同的空间取向显著影响了ZnPc上的LE态与ZnPc和C60之间的电子转移(CT)态的能级顺序,使得face-on空间取向易于发生激发态电子转移,而edge-on空间取向不利于该过程自发发生。随后动力学模拟也证实了这一观点。(2) 随后,我们继续探索了化学键链接方式对ZnPc-C60复合物的激发态能量转移过程的影响。我们找到了两种键连方式不同的ZnPc-C60复合物,即5-6和6-6键连构型。在前者中,ZnPc的两个氧原子与C60的一个五边形和一个六边形共用的两个碳原子;但是,在后者中,ZnPc的两个氧原子与C60的两个六边形环共用的两个碳原子成键。电子结构计算表明5-6构型与6-6构型的吸收峰都来自ZnPc于LE电子激发态,但5-6与6-6键连方式的不同改变了ZnPc的LE激发态与ZnPc和C60之间的电子CT态之间的能级顺序反转,导致了迥异的能量转移动力学行为。非绝热动力学模拟揭示5-6构型的ZnPc-C60复合物呈现了超快的激发态能量转移过程,但是该过程并未在6-6构型中出现。上述研究结果表明,无论是空间取向还是化学键链接方式都显著影响ZnPc-C60复合物的激发态性质及其动力学行为。 含重原子的有机金属复合物通常是良好的磷光材料。但是,近年来实验课题组陆续发现一些含贵金属原子的有机金属复合物也具有优异的TADF发光性能,但其微观发光机制则不清楚。围绕这一问题,我们在论文的第四章中开展了相关的理论研究。(1)李及其合作者合成了含有两个吡啶咔唑配体的Pd配合物,发现了TADF与室温磷光(RTP)的双发射性质。我们采用DFT和TDDFT方法,对实验测定的荧光及磷光峰进行了归属,发现除了荧光发射的S1态及磷光发射的T1态以外,T2态也参与了TADF过程。最后,结合辐射与无辐射速率常数,我们提出了S0、S1、T1和T2态参与的四态TADF模型,提出了直接和间接的上转换通道,合理解释了实验现象,并阐述了TADF和RTP双发射的微观本质。(2) 实验课题组利用双二苯基膦基苯dppBz和过卤苯基C6Cl5作为有机配体制备了一种Au(I)复合物,其晶体在300 K时显示TADF。我们采用集成了DFT、TDDFT和QM/MM方法的计算方案,系统研究了该复合物在气相和晶体中的激发态性质,发现气相和晶体环境中的复合物激发态结构及其相关性质具有显著差别,揭示了晶体环境效应的调控作用。此外,我们针对气相与晶相中的复合物体系分别建立了包含S0、S1和T1的三态TADF模型,通过对比发现只有准确考虑了环境效应,才能合理解释实验现象。(3) Kozhevnikov课题组最近报道了第一例含Ir原子的TADF金属复合物。为了理解其微观机制,我们采用DFT和TDDFT方法优化了基态及激发态的极小能量结构,并用高精度的多参考MS-CASPT2理论方法进行了能量矫正,指认了吸收和发射峰的电子态来源。然后,我们计算了考虑Duschinsky效应的无辐射速率常数,提出了包含S0、S1、T1的三态TADF模型,合理解释了实验现象。计算结果同时表明,在77 K时,该复合物可能存在TADF与磷光的双发射性质,但由于荧光与磷光峰位置重叠,导致在实验上无法分辨出两个发射峰 |
外文摘要: |
Transition metal complexes have rich photoelectric properties and are widely used in liquid crystal display, light sensing, photocatalysis, biological imaging, photodynamic therapy and many other research fields, such as photovoltaic devices and the third generation of organic lightemitting diodes based on thermally activation delayed fluorescence (TADF). In order to rationally design high performance device materials based on transition metal complexes, it is very important to reveal the microscopic mechanism of photoelectric conversion and luminescence. Unlike organic molecules, the excited electronic structures of transition metal complexes are extremely complex, involving not only the d-d electron excited states in the metal center, but also many different types of charge transfer states between organic ligands and metal atoms. Further complicating matters, the electronic structure and energy level order of these excited states are greatly influenced by the interaction between the organic ligand and the metal center. Therefore, the photophical study of transition metal complexes is one of the most challenging topics for both experimental and theoretical research, in which theoretical simulation plays an important and complementary role with experimental research. In this paper, we have systematically studied the excited state electron and energy transfer and thermal activation delayed fluorescence of several transition metal complexes using the calculation method of excited state electron structure and the theoretical method of radiative and non-radiative transition rate constant. The main contents are as follows:
|
参考文献总数: | 481 |
馆藏地: | 图书馆学位论文阅览区(主馆南区三层BC区) |
馆藏号: | 博070304/22020 |
开放日期: | 2023-06-13 |