ADF在OLED研究中的理论简介与系列应用

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。

OLED的构造与工作原理如下图所示：

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。因此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，简称旋轨耦合）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。

ADF可以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：

Shu-Hao Wen et al., First－Principle Investigation of Anistropic Hole Mobilities in Organic Semiconductors J. Phys. Chem. B 113, 8813-8819 (2009)

ADF软件结合了相对论效应，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：

H. Sasabe et al., High-Efficiency Blue and White OLEDs Incorporating a Blue Iridium Carbene Complex, Adv. Mater., 22, 5003-5007 (2010)

J. M. Younker and K. D. Dobbs, Correlating Experimental Photophysical Properties of Iridium(III) Complexes to Spin-Orbit Coupled TDDFT Predictions, 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。也可以预测不同过渡金属配合物的磷光发射性质，而不仅限于常用的铱配合物,如下图:

上图来自K. Mori et al., Predicting phosphorescent lifetimes and ZFS of organometallic complexes with SOC-TDDFT, Phys. Chem. Phys. Chem.16, 14523 (2014)。预测了23种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），以及其它激子过程（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。