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系統識別號 U0002-1607200823012200
中文論文名稱 取代基效應對於有機發光材料之理論探討
英文論文名稱 Theoretical Investigation of the Substituent Effect for Organic Light Emitting Materials
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系博士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 戴欽坤
研究生英文姓名 Chin-Kuen Tai
學號 689170016
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2008-06-23
論文頁數 175頁
口試委員 指導教授-王伯昌
委員-李錫隆
委員-徐秀福
委員-魏和祥
委員-何嘉仁
委員-謝宏明
中文關鍵字 取代基效應  吸收放射波長  分子軌域躍遷模式  密度泛含理論 
英文關鍵字 maleimide  Alq3  substituent effect  maximum absorption wavelength  emission wavelength  HOMO and LUMO energy  DFT-B3LYP  TD-DFT  PCM 
學科別分類
中文摘要 近年來有機發光二極體受到許多研究人員注目與投入心血發展,然而現今的有機發光材料有一些必須要克服必須要克服的地方,例如有機發光二極體的元件壽命及發光強度等等。另外,有機發光二極體構成彩色所基本需要的三原色紅色、綠色,藍色之發光色彩純度,也遇到瓶頸。使用取代基與發光分子鍵結是一般常見的化學修飾策略,故本篇論文即著重在取代基在有機發光分子中,所扮演的角色並討論取代基對分子性質的影響。
本論文的第一部份是針對maleimide分子,研究取代基對分子本體的結構變化以及吸收-放射波長和分子軌域躍遷行為。取代基會導致分子結構發生變化,使得maleimide衍生物產生出相當明顯的stokes shift現象。其中在maleimide分子的3、4位置使用取代基取代時,取代基將會造成最明顯的stokes shift現象。透過PCM模型的導入,也說明不同極性的溶劑環境下,分子吸收與放射波長受到的影響。
本論文的第二部份則是針對Alq3分子,研究不同推拉電子特性的取代基與延伸π電子共軛長度對整體分子的分子軌域能量和吸收波長的影響。拉電子取代基會對顯著影響整體分子的HOMO分子軌域能量。推電子基會對整體分子的HOMO、LUMO分子軌域能量造成明顯的影響。不同鍵結位置的取代基也會使得衍生物的吸收波長產生的紅位移。延伸π電子共軛長度,將會導致取代基對整體分子的分子軌域能量有更大能量變化。
英文摘要 The molecular structure properties, the optical properties, and the molecular orbital transition of the organic light-emitting materials were calculated by using the density-functional theory (DFT), CIS and the time-dependent density-functional theory (TD-DFT) methods. In the part I, for N-substituted maleimides, the substituent gives only a slight influence on the maleimide chromophone. For 3,4-substituted maleimide, the steric repulsion between substituent and maleimide chromophone influences the extent of π-delocalization and the molecular conformation. The calculated maximum absorption wavelength and emission wavelength of maleimide derivatives are in good agreement with the experimental data. In the gas phase, both absorption and emission peaks are red-shift as compared to the non-substituted maleimide. For the 3,4-substituted maleimdies, the effect of substitution produces the most significant spectral red-shift as compared to other maleimdies. In the part Ⅱ, for Alq3 derivatives, the election-donation groups influence the HOMO energy significantly, and the election-withdrawing groups influence both the HOMO and LUMO energy. The maximum absorption wavelength of Alq3 derivatives are red-shift by substituents which connect at different bonding site. The significant molecular orbital energy difference can be produced by extent of the π-conjugation length between substituent and Alq3 chromophone.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目  錄 III
表格索引 VI
圖片索引 VII

第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 有機電致發光元件基本結構及發光原理 5
1-2-1 有機電致發光二極體結構 8
1-2-2 有機電致發光原理 11
1-3 研究動機 13
第二章 有機發光材料簡介 15
2-1前言 15
2-2小分子發光材料 15
2-3 PLED材料 18
2-4高分子與小分子發光材料的比較 23
2-5 有機電致發光顯示器存在問題 24
2-6有機電致發光元件的展望 26
第三章 量子化學計算理論與方法 29
3-1 前言 29
3-2 量子化學計算原理 32
3-2-1 薛丁格方程式 33
3-2-2 原子單位 36
3-2-3 波恩-歐本海莫近似法 37
3-2-4 分子軌域理論 38
3-2-5 變分法 41
3-3 量子化學計算近似法 43
3-3-1 Hartree-Fock近似法 44
3-3-2 密度泛函理論 48
3-4 量子化學計算基底函數組 52
3-4-1 幾種基底函數介紹 53
3-4-2 最小基底函數 57
3-4-3 分裂價層的基底函數 59
3-4-4 極化函數 60
3-4-5 擴散函數 62
第四章 研究設備 63
4-1 電腦硬體設備 63
4-2 電腦軟體設備 66
第五章 Maleimide及其衍生物之理論探討 68
5-1 簡介 68
5-2 研究方法 73
5-3 結果與討論 77
5-3-1 取代基效應對maleimide衍生物分子結構之影響 79
5-3-2 BLA方法分析取代基效應對maleimide衍生物的影響 85
5-3-3 maleimide衍生物的結構變化與吸收-放射波長 88
5-4 結論 116
第六章 Alq3及其衍生物之取代基效應 118
6-1 簡介 118
6-2 研究方法 121
6-3 結果與討論 125
6-3-1 小取代基Alq3衍生物之取代基效應 128
6-3-2 大取代基Alq3衍生物之取代基效應 148
6-4 結論 162
第七章 總結 164
參考文獻 167

表格索引

表2-1 不同顏色的波長數值 17
表2-2 OLED與PLED的比較 24
表5-1 PCM模型中各個原子使用之基本半徑和替代參數 76
表5-2 B3LYP方法搭配不同基底函數計算maleimide分子的結構參數及平均誤差 79
表5-3 B3LYP/6-31+G*方法計算未取代和氮位置取代的maleimide衍生物之分子結構參數 81
表5-4 B3LYP/6-31+G*方法計算未取代和3,4位置取代的maleimide衍生物之結構參數 84
表5-5 BLA法分析未取代maleimide分子和氮位置取代maleimide衍生物之取代基效應 86
表5-6 BLA法分析未取代maleimide分子和3,4位置取代maleimide衍生物之取代基效應 88
表5-7 maleimide分子在基態-激發態下之分子結構 89
表5-8 氣態和不同溶劑環境下maleimide的吸收-放射波長與振盪強度 90
表5-9 MeMLH分子在基態-激發態下之分子結構參數 92
表5-10 MeMLH分子在氣態與不同極性溶液下的吸收與放射波長與振盪強度數據 93
表5-11 PhMLH分子在基態與激發態的幾何結構參數 95
表5-12 氣態和溶劑環境下PhMLH分子的吸收與放射波長數值及振盪強度 96
表5-13 2,6-DipMLH分子基態與激發態下的幾何結構參數 98
表5-14 氣態和溶劑環境下2,6-DipMLH分子吸收與放射波長數值與振盪強度 99
表5-15 基態與激發態下ML-3ind-4Br分子的結構數據 102
表5-16 ML-3ind-4Br分子在氣態和溶劑環境下吸收和放射波長數值與振盪強度 103
表5-17 MLE分子在基態與激發態條件下得到的結構數據 105
表5-18 MLE在氣態和不同溶劑環境下,吸收-放射波長與振盪強度 106
表5-19 MLH分子在基態與激發態下的結構數據 108
表5-20 氣態和不同溶劑環境下MLH分子吸收/放射波長與振盪強度 109
表5-21 MLMe分子在基態與激發態的分子結構數據 111
表5-22 氣態和不同溶劑環境下MLMe吸收/放射波長以及振盪強度 112
表5-23 4CH3OMLMe分子在基態與激發態下的結構數據 114
表5-24 4CH3OMLMe分子在氣態和不同溶劑環境下吸收/放射波長與振盪強度數值 115
表6-1 B3LYP方法搭配不同基底函數計算fac-Alq3和mer-Alq3分子的結構參數與相對能量 127
表6-2 B3LYP/6-31+G*計算-CF3取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO與LUMO軌域能量和能隙數據 130
表6-3 TD-B3LYP/6-31+G*計算-CF3取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子軌域躍遷模式 131
表6-4 B3LYP/6-31+G*計算-CN取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO與LUMO軌域能量和能隙數據 132
表6-5 TD-B3LYP/6-31+G*計算CN取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子躍遷模式 133
表6-6 B3LYP/6-31+G*計算-CO2Me取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO與LUMO軌域能量和能隙數據 135
表6-7 TD-B3LYP/6-31+G*計算CO2Me取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子軌域躍遷模式 136
表6-8 B3LYP/6-31+G*計算-NO2取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO與LUMO軌域能量和能隙數據 138
表6-9 使用TD-B3LYP/6-31+G*計算-NO2取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子軌域躍遷模式 139
表6-10 B3LYP/6-31+G*計算-N(Me)2取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO、LUMO軌域能量和能隙數據 141
表6-11 TD-B3LYP/6-31+G*計算-N(Me)2取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子軌域躍遷模式 141
表6-12 B3LYP/6-31+G*計算-NH2取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO、LUMO軌域能量和能隙數據 143
表6-13 TD-B3LYP/6-31+G*計算-NH2取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子軌域躍遷模式 144
表6-14 B3LYP/6-31+G*計算-OMe取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之HOMO、LUMO分子軌域能量和能隙數據 146
表6-15 TD-B3LYP/6-31+G*計算-OMe取代基在不同位置與Alq3分子鍵結之吸收波長、振盪強度與分子軌域躍遷模式 147
表6-16 大取代基之Alq3衍生物之HOMO、LUMO軌域能量和能隙數據 151
表6-17 TD-B3LYP/6-31+G*計算各種大取代基之Alq3衍生物鍵結之吸收波長振盪強度與分子躍遷模式 153
表6-18 多電子取代基之Alq3衍生物之HOMO、LUMO軌域能量和能隙數據 158
表6-19 TD-B3LYP/6-31+G*計算各種多電子取代基之Alq3衍生物的吸收波長、振盪強度與分子軌域圖形 160
圖片索引

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 6
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 7
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 小分子有機發光材料 16
圖2-2 常見的紅光有機小分子發光材料 17
圖2-3 常見的綠光有機小分子發光材料 17
圖2-4 常見的藍光有機小分子發光材料 18
圖2-5 聚對苯乙炔(PPV)衍生物示意圖 19
圖2-6 使用-OMe取代之聚對苯乙炔衍生物示意圖 20
圖2-7 使用-CN取代之聚對苯乙炔衍生物示意圖 20
圖2-8 各種不同聚塞吩衍生物示意圖 21
圖2-9 poly(3-alkyl-thiophene)示意圖 21
圖2-10 聚烷基芴示意圖 22
圖2-11 聚1,4-苯撐(PPP)示意圖 23
圖3-1 電腦模擬化合物在HPLC中的情形 29
圖3-2 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 58
圖3-3 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) 62
圖5-1 順丁烯亞醯胺衍生物結構圖 69
圖5-2 具有不同發色基之順丁烯亞醯胺衍生物結構圖 69
圖5-3 順丁烯亞醯胺與fluorene進行聚合反應之反應流程 69
圖5-4 maleimide衍生物分子 74
圖5-5 maleimide分子的HOMO與LUMO分子軌域 91
圖5-6 MeMLH分子的HOMO與LUMO分子軌域 94
圖5-7 PhMLH分子的HOMO與LUMO分子軌域圖形 97
圖5-8 2,6-DipMLH分子的HOMO與LUMO分子軌域 100
圖5-9 ML-3ind-4Br分子的HOMO與LUMO分子軌域圖形 104
圖5-10 MLE分子的HOMO和LUMO分子軌域 106
圖5-11 MLH分子的HOMO和LUMO分子軌域 110
圖5-12 MLMe分子在基態和激發態的HOMO和LUMO分子軌域 113
圖5-13 4CH3OMLMe分子之HOMO和LUMO分子軌域 116
圖6-1 ((a) Alq3及HTM2;(b) PPV分子結構示意圖 119
圖6-2 Alq3分子構型 (a) mer-Alq3 (b) fac-Alq3 123
圖6-3 小取代基之Alq3衍生物示意圖 123
圖6-4 大取代基之Alq3衍生物示意圖 124
圖6-5 -CF3取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 130
圖6-6 -CN取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 132
圖6-7 -CO2Me取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 135
圖6-8 -NO2取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 138
圖6-9 -N(Me)2取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 140
圖6-10 -NH2取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 143
圖6-11 -OMe取代基對HOMO、LUMO軌域能量和能隙的影響 145
圖6-12 大取代基取代之Alq3衍生物的HOMO和LUMO分子軌域圖 156
圖6-13 含有乙炔基之Alq3衍生物的HOMO和LUMO分子軌域圖 162

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