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本論文紙本於2005-07-13起公開使用

系統識別號	U0002-1107200510442500
DOI	10.6846/TKU.2005.00835
論文名稱(中文)	有機電洞材料之理論計算研究
論文名稱(英文)	Theoretical investigations of organic hole-transporting materials
第三語言論文名稱
校院名稱	淡江大學
系所名稱(中文)	化學學系博士班
系所名稱(英文)	Department of Chemistry
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度	93
學期	2
出版年	94
研究生(中文)	潘俊宏
研究生(英文)	Jiunn-Hung Pan
學號	889170055
學位類別	博士
語言別	繁體中文
第二語言別
口試日期	2005-06-21
論文頁數	201頁
口試委員	指導教授 - 王伯昌委員 - 李錫隆委員 - 邱鴻麟委員 - 李豐穎委員 - 李世元委員 - 徐秀福委員 - 王伯昌
關鍵字(中)	有機電洞材料理論計算
關鍵字(英)	OLED hole-transporting materials TPA reorganization energy
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要	有機芳香胺化合物已被廣泛使用於電洞傳輸材料，為了能有效設計一個高效率且具令人滿意的電荷傳輸性質的電致發光材料，一系列化合物的電洞的遷移速率和重組能透過Marcus理論被計算研究。本論文所有的化合物均以全始算中的DFT b3LYP/6-31G*計算方法計算。本論文主要包含二部分:第一部分是電洞傳輸材料的重組能研究，而第二部分為TPA和PC分子在游離能和重組能方面的取代基取代效應。首先在第一部分中，十五個芳香胺化合物分子和陽離子的結構被最佳化計算，再以此最佳化結構計算出化合物酌重組能和游離能，由研究的結果可得: 芳香胺化合物的重組能由其HOMO能階的電子雲密度分佈所影響。在第二部分研究中發現: TPA和PC分子的衍生物計算所得的游離能和重組能，能被取代基的Hammett係數( σ and σ+)影響，且計算所得的游離能與重組能和取代基的Hammett係數存在良好的線性關係。在此部分研究中，取代基效應對游離能與重組能亦被討論，HOMO能階、游離能與重組能的趨勢也透過Hammett係數被探討，希望經由此方法能進一步設計出新的電洞材料。在實驗中，雖然大部分化合物的物理和光學性質已被研究，但期望藉由理論的計算研究方法開發出新的光電材料。
英文摘要	The organic compounds with amino group have been used widely as the hole-transporting EL materials. To pursue the efficient OLEDs with desirable charge carrier transport property, the mobilities and reorganization energies for hole-transporting in a series of compounds were studied computationally based on the Marcus electron transfer theory with the ab initio DFT B3LYP/6-31G* calculated. This thesis comparises two parts: 1. the reorganization energy of the hole-transporting in organic compounds with amino group in the OLED were studied. 2. the substitution effect in triarylamines (TPA) and 9-Phenyl-9H-carbazole (PC) with different substituents were studied. According to the calculation results, one may conclude that the reorganization energy of these compounds are related to their electronic density of the HOMO state. The first part of this thesis, the geometries of 15 organic compounds in neutral and cationic states were optimized. Their reorganization energies and ionization potentials were calculated base on these optimized structures. Part two of this thesis, the calculated Ip and reorganization energy of hole-transporting for a series of TPA and PC compounds have been corrected with their experimental Hammett parameter (σ and σ+). The substituted effects in these compounds were investigated also. We also evaluated the reorganization energies of these compounds and investigated the substitutent effect in these compounds. Furthermore, the calculation procedure may estimate the trend of HOMO energies, Ip and reorganization energies for hole transport. These compound could be extended to the molecular design of new hole-transporting and EL materials. Although most of physical properties of the molecular were studied experimentally, the theoretical calculations provide enough to predict possible electrophysical properties in the development EL material.
第三語言摘要
論文目次	第一章緒論 1-1 前言 1 1-2 有機電致發光元件基本結構及發光原理 4 1-2-1 有機電致發光二極體結構 7 1-2-2 有機電致發光原理 10 1-3 研究動機 13 1-4 研究設備 15 1-4-1 硬體設備 15 1-4-2 軟體設備 16 第二章有機電洞傳輸材料 2-1 前言 19 2-1-1 有機發光材料 19 2-1-2 電子傳輸材料 26 2-1-3 電洞傳輸材料 28 2-2 芳香胺的實驗研究發展 32 2-3 芳香胺的理論研究發展 39 2-3-1 Marcus電子傳遞理論 39 2-3-2 理論計算方面的發展 45 2-3-3 漢密特關係式和係數 48 第三章理論與方法 3-1 前言 53 3-2 量子化學 58 3-2-1 薛丁格方程式(Schrödinger Equation) 59 3-2-2 原子單位(Atomic Units) 62 3-2-3 波恩-歐本海莫(Born-Oppenheimer)近似法 63 3-2-4 分子軌域理論(Molecular Orbital Theory) 65 3-2-5 變分法(variational method) 68 3-3 量子化學計算近似法 71 3-3-1 Hartree-Fock近似法 71 3-3-1 密度泛函理論(Density Functional Theory) 77 3-4 基底函數組(Basis Set) 82 3-4-1 幾種基底函數介紹 83 3-4-2 最小基底函數(Minimal Basis Sets) STO-3G 88 3-4-3 分裂價層的基底函數(Split-Valence Basis Sets) 90 3-4-4 極化函數(Polarization Function) 92 3-4-5 擴散函數(diffuse function) 94 第四章芳香胺衍生物的理論研究 4-1 簡介 97 4-2 研究方法 99 4-3 結果與討論 100 4-3-1 基底函數對重組能的影響 104 4-3-2 化合物結構研究 105 4-3-3 游離能的研究 134 4-3-4 重組能的研究 137 4-3-5 電洞傳輸速率常數 144 4-4 結論 146 第五章三苯胺衍生物的理論研究 5-1 簡介 151 5-2 研究方法 153 5-3 結果與討論 158 5-3-1 基底函數對重組能的影響 159 5-3-2 不同取代基對游離能的影響 160 5-3-3 取代基對游離能的影響效應的量化 168 5-3-4 取代基對重組能的影響 172 5-3-5 取代基對重能的影響效應的量化 179 5-4 結論 183 第六章總結 189 參考文獻 195 相關著作 201 圖片索引頁次圖1-1 三種電致發光材料 4 圖1-2(a) 單層有機電致發光元件結構 5 圖1-2(b) 雙層有機電致發光元件結構- Kodak type 5 圖1-2(c) 雙層有機電致發光元件結構- Satio type 6 圖1-2(d) 多層有機電致發光元件結構 6 圖1-2(e) 多層有機電致發光元件結構 7 圖1-3 有機電致發光原理的能階示意圖 11 圖1-4 激子衰減發光機制示意圖 12 圖2-1 DCM類化合物結構圖 20 圖2-2 新型紅光摻雜分子的結構圖 21 圖2-3 Rubrene結構圖 22 圖2-4 新型紅光材料D-CN結構圖 22 圖2-5 星型thieno-[3,4,b]-pyrazines的結構圖 23 圖2-6 Coumarin系列化合物結構圖 24 圖2-7 DNA和JBEM化合物結構圖 24 圖2-8 DPVBi和BPVBi類化合物結構圖 25 圖2-9 PAP-X化合物結構圖 25 圖2-10 藍光材料2,2'-bistriphenylenyl(BTP)結構 26 圖2-11 1,2,4-triazole(TAZ)系列化合物結構圖 27 圖2-12 Oxadiazole系列化合物結構圖 28 圖2-13 芳香胺型分子結構圖 29 圖2-14 星狀非結晶型分子結構圖 30 圖2-15 交叉結構鍵接型分子結構圖 30 圖2-16 Carbazole為骨架的衍生物結構圖 30 圖2-17 Silanamine類結構圖 31 圖2-18 Pyrazoline衍生物結構圖 31 圖2-19 TPD、TTB和NPB的分子結構圖 33 圖2-20 Idemitsu發表的電洞傳輸材料分子結構圖 34 圖2-21 TDATA和m-MTDATA的分子結構圖 35 圖2-22 TDAB和TDAPB的分子結構圖 36 圖2-23 p-DPA-TDAB的分子結構 36 圖2-24 TCTA和TCPB的分子結構圖 37 圖2-25 以咔唑為骨架所衍生的芳香胺類分子結構圖 38 圖2-26 柯達發表金剛烷電洞傳輸材料分子結構圖 38 圖2-27 Marcus理論電子傳遞過程的物理模型 40 圖2-28 電子或電洞傳輸時總位能變化圖 41 圖2-29 以Marcus理論解釋電洞傳輸的架構示意圖 44 圖2-30 NPB和其上芳香環單元的能階態密度結構 47 圖3-1 咔唑(Carbazole)的分子軌域圖形 54 圖3-2 電腦模擬化合物在HPLC中的情形 54 圖3-3 比較STO-1G、STO-2G、STO-3G不同基底函數與1s軌域的Slater函數近似程度 90 圖3-4 對於極性分子系統的軌域型態，用加入額外軌域型態函數來加以修正 (p軌域加上d函數；s軌域加上p函數) 93 圖4-1 芳香胺類-單胺類化合物結構圖 101 圖4-2(a) 芳香胺類-雙胺類化合物結構圖 102 圖4-2(b) 芳香胺類-雙胺類化合物結構圖 103 圖4-3 TPA分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 107 圖4-4 DTA分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 107 圖4-5 α -NDPA分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 108 圖4-6 β-NDPA分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 110 圖4-7 PC分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 112 圖4-8 PDA分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 113 圖4-9 PDDA分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 114 圖4-10 BD分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 116 圖4-11 TBD分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 118 圖4-12 TPD分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 120 圖4-13 α-NPB分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 123 圖4-14 β-NPB分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 125 圖4-15 BCB分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 127 圖4-16 ISB分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 130 圖4-17 IDB分子的基態HOMO能階的電子密度分佈圖 132 圖5-1 三苯胺和9-Phenyl-9H-carbazole主要架構結構圖 153 圖5-2 咔唑衍生物結構圖 155 圖5-3(a) 三苯胺衍生物結構圖 156 圖5-3(b) 三苯胺衍生物結構圖 157 圖5-4 游離能Ip和-EHOMO計算值對Ep/2實驗值作圖 166 圖5-5 PC化合物及其衍生物A系列化合物的游離能Ip 和-EHOMO計算值對Hammett係數作圖 170 圖5-6 PC化合物及其衍生物B系列化合物的游離能Ip 和-EHOMO計算值對Hammett係數作圖 170 圖5-7 TPA化合物及其衍生物T1系列化合物的游離能Ip 和-EHOMO計算值對Hammett係數作圖 171 圖5-8 TPA化合物及其衍生物T2系列化合物的游離能Ip 和-EHOMO計算值對Hammett係數作圖 171 圖5-9 TPA化合物及其衍生物T3系列化合物的游離能Ip 和-EHOMO計算值對Hammett係數作圖 172 圖5-10 取代基效應在苯環上的共振方式 179 圖5-11 PC化合物及其衍生物A和B系列化合物的重組能對Hammett係數作圖 181 圖5-12 TPA化合物及其衍生物T1、T2和T3系列化合物的重組能對Hammett係數作圖 181 表格索引頁次表2-1 論文中採用取代基的漢密特係數σ值和σ+值 50 表4-1 TPA和BD以AM1、PM3和DFT(B3LYP)在不同的基底下計算所求得的重組能 105 表4-2 TPA分子的基態和陽離子的結構參數 106 表4-3 DTA分子的基態和陽離子的結構參數 107 表4-4 α -NDPA分子的基態和陽離子的結構參數 108 表4-5 β-NDPA分子的基態和陽離子的結構參數 110 表4-6 PC分子的基態和陽離子的結構參數 111 表4-7 PDA分子的基態和陽離子的結構參數 112 表4-8 PDDA分子的基態和陽離子的結構參數 114 表4-9 BD分子的基態和陽離子的結構參數 116 表4-10 TBD分子的基態和陽離子的結構參數 118 表4-11 TPD分子的基態和陽離子的結構參數 120 表4-12 α-NPB分子基態和陽離子的結構參數 122 表4-13 β-NPB分子基態和陽離子的結構參數 125 表4-14 BCB分子的基態和陽離子的結構參數 127 表4-15 ISB分子的基態和陽離子的結構參數 129 表4-16 IDB分子的基態和陽離子的結構參數 132 表4-17 以DFT B3LYP/6-31G計算求得芳香胺類化合物的游離能 135 表4-18 以DFT B3LYP/6-31G計算求得芳香雙胺類化合物的游離能 135 表4-19 以DFT B3LYP/6-31G計算求得芳香單胺類化合物的重組能 138 表4-20 以DFT B3LYP/6-31G計算求得芳香雙胺類化合物的重組能 139 表4-21 單胺類芳香胺化合物分子和TPA分子的相對電洞傳輸速率常數 145 表4-22 雙胺類芳香胺化合物分子和BD分子的相對電洞傳輸速率常數 145 表5-1 TPAa以AM1、PM3、HF和DFT(B3LYP)在不同的基底下計算所求得的最佳化結構參數 158 表5-2 TPA和PC以AM1、PM3和DFT(B3LYP)在不同的基底下計算所求得的重組能 159 表5-3 PC分子和衍生物A01～A20( series A)系列分子的能階及游離能 161 表5-4 PC衍生物B01～B10 (series B)系列分子的能階及游離能 163 表5-5 三苯胺(TPA)和衍生物T101～T120( series T1)系列分子的能階及游離能 165 表5-6 三苯胺衍生物T201～T210( series T2)系列分子的能階及游離能 167 表5-7 三苯胺衍生物T301～T310( series T3)系列分子的能階及游離能 168 表5-8 PC分子和衍生物A01～A20( series A)系列分子的重組能 174 表5-9 PC衍生物B01～B10 (series B)系列分子的重組能 175 表5-10 三苯胺(TPA)和衍生物T101～T120( series T1) 系列分子的重組能 177 表5-11 三苯胺衍生物T201～T210( series T2)系列分子的重組能 178 表5-12 三苯胺衍生物T301～T310( series T3)系列分子的重組能 178
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