掺杂型载流子传输材料的密度泛函理论研究

摘要

近年来，通过改进载流子传输层的性能以提高有机电致发光器件的发光效率正成为人们的研究热点。目前，对碱金属掺杂电子传输层，以及具有高功函数的金属氧化物或有机物掺杂空穴传输层的实验研究较多，但是仅依靠实验的方法并不能完全探明其提高载流子注入和传输的机理，因此通过量子化学的方法在理论上进行深入的分析具有非常重要的意义。本文通过密度泛函理论深入研究了n型掺杂电子传输材料及p型掺杂空穴传输材料的分子几何结构、分子轨道能级及分布、电荷转移等特性，并在理论上分析了掺杂提高载流子传输的机理。
　　 1.对于n型掺杂电子传输材料，我们选取了Li原子掺杂常用的电子传输材料8-羟基喹啉铝(Alq3)分子进行研究。研究结果表明，Li原子掺杂Alq3后，Li原子与Alq3的O、N原子键合，形成电子转移复合物。Li原子将部分电子转移到Alq3的吡啶环上，在Alq3的带隙内形成施主能级，这种n型掺杂结构有效地提高了电子的传输效率。但Li与Alq3的结合会使Alq3分子中Al-O键变长，而过多的Li原子的掺杂会使Al-O键断裂从而使得Alq3分解，这会影响到Alq3分子之间的堆积方式，使分子之间的π-π相互作用变弱，电子的迁移率也会随之下降，从而减弱了其电子传输能力。由于当Li：Alq3=1:3时，Alq3分子已经不能保持其原有的构型，为使Alq3的电子传输能力达到最高，Li原子的掺杂应保持在2:1左右的比例。
　　 2.对于p型掺杂空穴传输材料，我们选取了NPB和CBP两种空穴传输材料，分别采用氧化钼、氧化钨及F4-TCNQ掺杂进行分析。通过分析得出过渡金属氧化物主要以.Mo3O9、W3O9团簇的形式存在，同时也以MoO3、WO3的形式少量存在。但由于MoO3、WO3与主体有机分子之间存在较强的化学键合，使得形成的电荷转移络合物的能带结构与主体材料本身的能级结构相比没有本质的变化，并不能提高空穴的注入和传输。而当氧化物以Mo3O9、W3O9的形式存在时，由于Mo3O9、W3O9团簇与主体有机分子之间只存在弱相互作用，形成的复合物具有较低的空轨道能级，复合体的空轨道能级相当于在主体材料的带隙内形成了深杂质能级，属于p型掺杂，可以有效的提高空穴的注入和传输。由于W3O9的最低未占据轨道能级高于Mo3O9，使得W3O9与主体材料形成的复合物的能隙较大，电子跃迁相对困难，所以Mo3O9相对W3O9是一种优良的掺杂材料。而当F4-TCNQ作为掺杂剂时，与Mo3O9及W3O9掺杂类似，与主体有机分子之间也只存在弱相互作用。F4-TCNQ由于其相对于金属氧化物具有更低的空轨道能级，因此从主体材料的占据轨道能级到F4-TCNQ的空轨道能级的电子转移更容易，电子转移量更大，在主体材料上形成更多的自由空穴，因此F4-TCNQ掺杂效率比过渡金属氧化物高。同时还对比了NPB和CBP两种空穴传输材料掺杂的情形。由于NPB相对于CBP具有高的占据轨道能级，这使得NPB掺杂后更容易向杂质转移电子，从而形成更多的空穴，因此对NPB进行掺杂提高空穴传输的效果应优于CBP。