第26卷第2期 海南师范大学学报(自然科学版) Vo1.26 No.2 2013年6月 Journal of Hainan Normal University(Natural Science) Jun.2013 两种芘取代咔唑衍生物光电性质的理论研究 刘艳玲,韩立志 ,刘朋军,谢善燕 (海南师范大学化学与化工学院,海南海口571158) 摘要:采用DFT、HF、CIS和TDDFT方法,研究了两种芘取代咔唑衍生物3,6一芘基一9一(4 一 叔丁基苯)咔唑(BPyC)和3,6一芘基一9一(4 一芘基苯)咔 ̄(TPyC)的结构和光电性质.结果表明, 电子激发时,BPyC结构变化较大,TPyC结构变化较小.苯环上的取代基叔丁基或芘基对H0M0 能级、能隙、电离能和重组能影响微小,对LUMO能级和电子亲和势影响较大.它们的发射光谱位 于蓝光区域.与BPyC相比,TPyC具有更好的热力学稳定性和电荷注入传输性能,有望成为双极 材料或蓝光材料. 关键词:芘;咔唑;有机电致发光二极管 中图分类号:O 641 文献标识码:A 文章编号:1674—4942(2013)02—0177—03 Theoretical Investigation on Opt0electr0nic Properties of Two Carbaz0le—Pyrene Derivatives LIU Yanling。HAN Lizhi ,LIU Pengjun,XIE Shanyan (College ofChemistryandChemicalEngineering,HainanNormal Univeni ̄,Haikou 571158,China) Abstract:The structures and optoelectronic properties of two carbazole—pyrene derivatives,namely 3,6-dipyrenyl-9一 (4"-tert—butylpheny1)carbazole(BPyC)and 3,6一dipyrenyl一9-(4 -pyrenylpheny1)carbazole(TPyC),were studied by DFTr,HF,CIS and TDDFT methods.Results show that the sturcture of TPyC varies smaller than BPyC with electronic ex- citation.HOMO,energy gap,ionization potential,and reorganization energy are little affected by the substituent of tert-butyl or pyrenyl on the phene ring,while LUMO and electron affinity are influenced largely.And they exhibit blue emission.Compared with BPyC,TPyC is a promising candidate as a bipolar material or blue emitter because of its better thermal stability and charge inject and transport abilities. Key words:Pyrene;Carbazole;Organic light—emitting diodes(OLED) 有机电致发光器件(OLED)是第三代平板显示 合物BPyC和TPvc 】的光电性质,其结构见图1. 技术的主力军,它具有高亮度、低驱动电压、易实现 全彩显示等优点.若要实现OLED的高性能,电致 1计算方法 发光材料至关重要.在红、绿、蓝三基色发光材料 采用DFT//B3LYP/6—31G(d)方法计算中性分 中,蓝光材料的研究与发展相差甚远. 子和离子的几何结构,并计算电离能、电子亲和势 咔唑和芘都具有特殊的刚性稠环结构,是潜在 和重组能.采用CIS/6—31G(d)方法在HF/6—31C(d) 的蓝光材料.人们将咔唑与芘进行组合,设计出许 方法优化结构基础上获得最低激发单重态的稳定 多发光性能优良的蓝光物质 】.近来,Tong 结构.在基态和激发态结构基础上采用TDDFTH Qing—Xiao工作组在实验上合成表征了一系列以咔 B3LYP/6—31G(d)方法分别计算吸收光谱和发射 唑为中心骨架、芘为取代基的蓝光化合物 一1.在之 光谱.所有计算均采用Gaussian 03程序在曙光天 前的工作中,我们已研究了其中一种化合物DPEC 演EP850一GF2服务器上完成. 的结构和光学性质I 01.本文将继续研究另外两种化 收稿日期:2013~03—20 基金项目:海南省自然科学基, ̄(210017);海南省高等学校科学研究项目(I-l-jk2012-17);海南省普通高等学校研究生 创新科研课题(HyS2012—4);海南师范大学研究生创新科研项目(039) 通讯作者 178 海南师范大学学报(自然科学版) 2013正 2结果与讨论 2.1基态和激发态几何结构 采用DFT/B3LYP、HF和CIS方法对化合物进 行结构优化.计算得到的稳定结构的部分键长和二 拳 面角参数列于表1,原子编号见图1.可见,DFT方 法优化的基态结构中,由于空间位阻和叮r共轭效应 的影响,BPvC和TPyC中咔唑环与苯环间的二面角 C(1O)一N(9)一C(17)一C(18)及苯环与取代基叔丁 基或芘基间的键长C(20)一C(21)和二面角C 图1 BPyC和TPyC化合物的结构 (19)一C(2O)一C(21)一C(22)相差较大,依次相差 Fig.1 Structures of BPyC and TPyC 3.70。、5.07 pm和6.24o.HF方法优化的结果与DFT 方法相似. 表1化合物BPyC和TPyC的部分键长(pm)和二面角(。) Tab.1 Some bond lengths(pm)and dihedral angles(。)of BPyC and TPyC 比较表l中HF和CIS方法计算结果,从基态到 及两侧的芘环向苯环及相连的芘环定向转移. 激发态,BPvC中咔唑环与芘环间的键长及芘环中 的键长变化较大.其中,C(3)一C(14)键缩短4.46 pm,C(14)一C(15)键伸长4.89 pm,C(15)一C(16)键 缩短4.05 pm.二面角变化主要集中在咔唑环与芘 环或苯环之间,c(2)一C(3)一C(14)一C(15)和C (10)一N(9)一C(17)一C(18)二面角分别减小27.34o 和4.49。.与BPvc结构变化相比,电子激发只导致 TPvc中咔唑环与芘环或苯环间二面角减小1.99。 和2.21。.这说明TPyC的结构刚性大于BPyC,前者 具有更好的热力学稳定性,这与实验上的测定一致 (TPvc的分解温度为516 oC,而BPvc的分解温度为 496℃)[8】. 2.2前线分子轨道 图2给出了BPyC和TPyC化合物的前线分子 轨道图,包括最高占据轨道(HOMO)和最低空轨 道(LUMO).很明显,两种化合物从H0MO到LU— HOMO(-4.98 ev)HOMO(-5 O1 ev) MO跃迁产生了电荷转移.BPvC中的电荷从咔唑环 图2 BPyC和TPyC化合物的前线分子轨道 向两侧芘环定向转移,而TPvC中的电荷从咔唑环 Fig.2 Froniter molecular orbitals of BPyC and TPyC 第2期 刘艳玲等:两种芘取代咔唑衍生物光电性质的理论研究 179 BPyC和TPyC的HOMO能级与DPEC相近,分 别为一4.98 eV、一5.O1 eV和一5.0 eV,而LUMO能级则 是TPyC(一1.73 ev)小于BPyC(一1.45 eV)和DPEC (一1.5 eV)t .另外,BPvC、TPyC和DPEC的能隙(即 HOMO能级与LUMO能级的差值)依次为3.53 eV、 固体薄膜中测量的结果.所有的跃迁都有1T一1T 特 征.对于吸收光谱,BPvc的最大吸收波长来自于 S。.÷S 跃迁,轨道贡献主要为HOMO一,一LUMO,而 TPvc的最大吸收波长来自于s 一s 跃迁,主要轨道 贡献为HOMO一广 LuM0.对于发射光谱,BPyc和 TPyC的最大发射波长均被指认为轨道贡献主要为 3.28 eV和3.5 eV,与实验值2.99 eV、2.96 eV和2.9 eVts 相差较大,这是由于实验上采用吸收光谱中 的垂直激发能估算能隙造成,因为这种估算法认为 最低单重激发态完全由HOMO到LUMO跃迁贡献, 而事实并非总是如此.为了与实验数据作比较,我 们也从计算的吸收光谱中给出了相应的能隙值,分 别为3.20 eV、3.Ol eV和3.21 eV,很明显,它们与实 验值吻合较好. 2.3电离能、电子亲和势和重组能 为了衡量BPvc和TPyC的电荷注人传输性能, 采用DFT方法计算了三种电离能(IP)(垂直电离 能,VIP;绝热电离能,AIP;空穴抽取能,HEP)、三种 电子亲和势(EA)(垂直电子亲和势,VEA;绝热电 子亲和势,AEA;电子抽取能,EEP)和重组能(入) (空穴重组能,kM。;电子重组能, ),列于表2. 可看出,BPvC和TPyC的电离能与DPEC相差微小, 而TPyC的电子亲和势则远大于BPyC和DPEC q, 与HOMO和LUMO能级分析结果一致.这说明在咔 唑环9位引入不同的推电子基团对该类咔唑衍生 物的空穴注人性能影响微小,而对电子注入性能影 响较大.三种化合物的空穴注入性能相当,而电子 注入性能则是TPyC最好.另外,TPyC的电子重组 能(O.10 eV)和空穴重组能(0.11 eV)小于BPyC和 DPEC 1,其电荷传输速率最佳.并且,它们各自的 电子重组能与空穴重组能相当,电荷传输平衡性优 异,可作为双击材料应用于光电器件中. 表2化合物BPyC和TPyC的电离能、电子亲 和势和重组能(eV) Tab.2 IP,EA and ofBPyCandTPyC 2.4电子光谱 表3列出了BPyC和TPyc化合物的吸收光谱 和发射光谱数据.与实验值相比,计算结果偏低,这 可能一是由计算方法本身造成,二是因为理论计算 的是理想状态下气体分子的性质,而实验值却是在 LUMO—HOMO的S —÷S0跃迁.并且与DPEC类似 BOl,它们的发射光谱位于蓝光区域,可作为蓝光材 料. 表3化合物BPyC和TPyC的电子光谱 Tab.3 Electronic spectra of BPyC and TPyC 化合 类别 电子 .厂 轨道贡献 实验 物 跃迁llm 值嘲 BPvc吸收光谱s s 356 0.44 HOMO一2--*LUMO+ 0.12 358 HOMO—l— LUM0 0.66 H0M()--+LUM0+。 0.15 发射光谱s。—S0 420 0.66 LuM0_+HOM0一: O.11 443 LUMO— HOMO一1一O.11 LUMO—}H0MO 0.67 TPyC吸收光谱s s 363 0.73 HOMO一广 LuM0 0.11 369 H0MO一广+LUM0 0.57 H0M0一 — LUM0“一O-36 发射光谱s。一s。423 0.37 LuM H0M0 O.57 465 LUMO+ — H0MO一0.40 3结论 本文采用DFT、HF、CIS和TDDFT等方法,对 BPyC和TPvC化合物的光电性质进行了计算,结果 表明,电子激发时,咔唑环与芘环或苯环间的二面 角减小,同时伴随着电荷转移.其中,TPyC结构变 化小于BPvC,其具有更好的刚性结构和热力学稳 定性.苯环上的取代基叔丁基或芘基对HOMO能 级、能隙、电离能和重组能影响微小,对LUMO能级 和电子亲和势影响较大.两种化合物的空穴注入性 能和电荷传输平衡性相当,而TPyC的电子注人性 能及电荷传输速率优于BPyC.它们的发射光谱落 于蓝光区域.综合以上计算结果可知,TPyC具有更 加良好的热力学稳定性和电荷注人传输性能,有望 成为一种性能优良的双极材料或蓝光材料. 参考文献: 【1]X-ing Y J,Xu X J,Zhang P,et a1.Carbazole—py- rene——based organic emitters for electroluminescent device 【J】.Chem Phys Lett,2005,408(1—3):169—173. 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