КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 19-13-00383

НазваниеТеоретическое моделирование структуры и свойств эксиплексов на границе раздела многослойных органических материалов и на модифицированной поверхности силикагеля в светоизлучающих, фотовольтаических и хемосенсорных устройствах

Руководитель Багатурьянц Александр Александрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-501 - Квантовая химия, математические методы в химии

Ключевые слова органическая нанофотоника; многослойные структуры; интерфейс; молекулярное моделирование; квантовохимические расчеты; возбужденные состояния; эксиплексы

Код ГРНТИ31.15.03

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Аннотация проекта Теоретическое моделирование структуры и свойств эксиплексов на границе раздела многослойных органических материалов и на модифицированной поверхности силикагеля в светоизлучающих, фотовольтаических и хемосенсорных устройствах. Разработка новых эффективных светоизлучающих, фотовольтаических и хемосенсорных устройств является крайне важной и актуальной практической задачей. Образование эксиплексов на границе раздела многослойных органических материалов в случае светоизлучающих и фотовольтаических систем или на модифицированной поверхности силикагеля в случае хемосенсорных систем является одним из универсальных механизмов функционирования таких устройств [Ng, T.-W., Lo, M.-F., Fung, M.-K., Zhang, W.-J., & Lee, C.-S. (2014). Charge-Transfer Complexes and Their Role in Exciplex Emission and Near-Infrared Photovoltaics. Advanced Materials, 26(31), 5569–5574. doi:10.1002/adma.201400563, Zhang, D., Cai, M., Zhang, Y., Bin, Z., Zhang, D., & Duan, L. (2016). Simultaneous Enhancement of Efficiency and Stability of Phosphorescent OLEDs Based on Efficient Förster Energy Transfer from Interface Exciplex. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(6), 3825–3832. doi:10.1021/acsami.5b10561]. Прямые экспериментальные данные о структуре и свойствах эксиплексов в реальных системах получить достаточно сложно, и таких работ не очень много [Carvelli, M., van Reenen, A., Janssen, R. A. J., Loebl, H. P., & Coehoorn, R. (2012). Exciton formation and light emission near the organic–organic interface in small-molecule based double-layer OLEDs. Organic Electronics, 13(11), 2605–2614. doi:10.1016/j.orgel.2012.07.035, He, S.J. & Lu, Z.H. (2018). Excitonic processes at organic heterojunctions, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 027301 (2018), https://doi.org/10.1007/s11433-017-9110-x and references therein]. Поэтому теоретическое моделирование структуры и свойств эксиплексов на границе раздела многослойных органических материалов критически важно для решения проблемы разработки новых эффективных светоизлучающих, фотовольтаических и хемосенсорных устройств. В рамках проекта будут выполнены молекулярно-динамическое (МД) моделирование строения эмиссионного и других слоев, а также границ раздела (m-MTDATA/t-Bu-PBD, CzTrz/TCTA, m-MTDATA/BPhen, TAPC/BTPS, NPB/B4PyPPM, и NPB/BBO); квантово-химические (КХ) расчёты образующихся эксиплексов с помощью обычных и гибридных квантово-классических методов (QM/MM) с целью описания оптических характеристик светоизлучающих, фотовольтаических и хемосенсорных устройств; теоретическое исследование структуры, образования и свойств эксиплексов, образуемых модельными комплексами органических полупроводниковых молекул, используемых в органических светоизлучающих, фотовольтаических и хемосенсорных устройствах; моделирование структуры различных комплексов молекул ряда фуранов, флуоренов, полиядерных ароматических соединений и др. в основном и возбужденном состоянии КХ методами разного уровня (DFT, CIS(D) и др.); расчеты спектров поглощения и испускания комплексов и их вибронной структуры; оценка полуширин линий поглощения и испускания; сканирование потенциальной поверхности низших возбужденных состояний комплексов и выяснение механизма образования эксиплексов; оценка точности различных КХ приближений и разработка методики расчета эксиплексов больших органических молекул. Исследование свойств эксиплексов на построенных органических интерфейсах: КХ расчёты энергий связи, спектров поглощения/испускания, учёт влияния окружения на спектроскопические свойства исследуемых эксиплексов. Недавно разработанная одномерная цепочечная когерентная модель диффузионной подвижности носителей заряда в неупорядоченных органических материалах [Basilevsky M.V. & Titov S.V. (2017). The charge-carrier mobility in disordered organic materials: the long-range one-dimensional diffusion with the memory effect, J. Math. Chem., 56 (3), 728-746. doi: 10.1007/s10910-017-0827-8] будет применена для вычисления электронно-дырочной подвижности в светоизлучающих материалах. Расчёты электронной и дырочной проводимости материалов для α-NPD и m-MTDATA по данной модели. Исследование свойств эксиплексов на полученных органических интерфейсах: КХ расчёты энергий связи, спектров поглощения/испускания, учёт влияния окружения на спектроскопические свойства исследуемых эксиплексов. Использование термически активированной замедленной флуоресценции (TADF) для эффективной утилизации как триплетных, так и синглетных экситонов [Ye Tao, Kai Yuan, Ting Chen, Peng Xu, Huanhuan Li, Runfeng Chen, Chao Zheng, Lei Zhang, and Wei Huang, Adv. Mater. 2014, Vol. 26, no. 47, pp. 7931-7958, DOI: 10.1002/adma.201402532; «Highly Efficient OLEDs: Materials Based on Thermally Activated Delayed Fluorescence», Ed. Hartmut Yersin, 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany]. Теоретически, при использовании TADF возможно достичь 100% квантового выхода люминесценции. Общие принципы молекулярного дизайна TADF излучателей [Uoyama, H., Goushi, K., Shizu, K., Nomura, H. and Adachi, C. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature 492, 234–238 (2012); Goushi, K., Yoshida, K., Sato, K. and Adachi, C. Organic light-emitting diodes employing efficient reverse intersystem crossing for triplet-to‑singlet state conversion. Nat. Photon. 6, 253–258 (2012); Yuchao Liu, Chensen Li, Zhongjie Ren, Shouke Yan and Martin R. Bryce, Nature Reviews Materials volume 3, Article number: 18020 (2018), doi:10.1038/natrevmats.2018.20] состоят в синтезе молекул, где HOMO и LUMO разнесены в пространстве, так чтобы перекрывание между ними было минимальным. Это обеспечивает малую величину обменного интеграла и, как следствие, малую щель между низшими синглетным и триплетным состояниями. К сожалению, при этом переход S1=>S0 имеет малую силу осциллятора, что не способствует эффективной флуоресценции, а процесс обратного перехода T1=>S1 (Reverse Intersystem Crossing, RISC) всегда намного медленнее прямого перехода S1=>T1. Тем не менее, термически активированная замедленная флуоресценция с высокой эффективностью (внешний квантовый выход EQE >19%) наблюдается экспериментально. Выяснение детального механизма TADF является крайне актуальной задачей. Перспективное направление дизайна TADF излучателей - использование эксиплексов и комплексов донор-акцептор. В них HOMO и LUMO локализованы на разных молекулах, что обеспечивает достаточно малый обменный интеграл и малую щель S1-T1 [ Ye Tao, Kai Yuan, Ting Chen, Peng Xu, Huanhuan Li, Runfeng Chen, Chao Zheng, Lei Zhang, and Wei Huang, Adv. Mater. 2014, Vol. 26, no. 47, pp. 7931-7958, DOI: 10.1002/adma.201402532; Yuchao Liu, Chensen Li, Zhongjie Ren, Shouke Yan and Martin R. Bryce, Nature Reviews Materials volume 3, Article number: 18020 (2018), doi:10.1038/natrevmats.2018.20]. Энергии эксиплексных триплетных состояний должны быть намного ниже триплетных уровней исходных молекул, чтобы эффективно предотвратить тушение эксиплексных триплетов [Liu, X. K. et al. Prediction and design of efficient exciplex emitters for high-efficiency, thermally activated delayed-fluorescence organic light-emitting diodes. Adv. Mater. 27, 2378–2383 (2015); Liu, W. et al. Novel strategy to develop exciplex emitters for high-performance OLEDs by employing thermally activated delayed fluorescence materials. Adv. Funct. Mater. 26, 2002–2008 (2016)]. TADF системы на основе эксиплексов представляют значительный фундаментальный и практический интерес. Для моделирования эксиплексов необходим правильный подбор функционала плотности, свободного от т.н. «ошибки делокализации» и артефактного занижения энергии состояний с переносом заряда. Это возможно с помощью калибровки range-separated функционалов по многоконфигурационным расчетам систем меньшего размера. Группа имеет достаточный опыт решения поставленных и смежных задач. —исследование структуры и свойств эксиплексов, образующихся на границе слоев электронной и дырочной проводимости в органических светоизлучающих устройствах [I. Anger, E. Rykova. A. Bagaturyants, MD/QC Simulation of the Structure and Spectroscopic Properties of α-NPD-BAlq Exciplexes at an α-NPD/BAlq Interface in OLEDs, ChemistrySelect, 2017, 2, 9495−9500]. —исследование структуры и свойств димеров нафталина в основном и возбужденном состоянии [ N.O. Dubinets, A.A. Safonov, A.A. Bagaturyants, Structures and Binding Energies of the Naphthalene Dimer in Its Ground and Excited States, J. Phys. Chem. A, 2016, 120 (17), pp. 2779–2782]. —расчеты вибронной структуры и полуширин спектральных линий для различных систем [V. Chashchikhin, E. Rykova, A. Scherbinin, A. Bagaturyants, DFT modeling of the interaction of small analyte molecules with 9-(diphenylamino)acridine adsorbed on small amorphous silica clusters: bonding energies and optical bands. Int. J. Quant. Chem. 2012, Vol. 112, 3110–3118 DOI: 10.1002/qua.24257; Pavel S. Rukin, Alexandra Ya. Freidzon, Andrei V. Scherbinin, Vyacheslav A. Sazhnikov, Alexander A. Bagaturyants, Michael V. Alfimov, Vibronic Bandshape of Absorption Spectra of Dibenzoylmethanatoboron Difluoride Derivatives: Analysis Based on Ab Initio Calculations. Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 16997–17006 DOI: 10.1039/c5cp02085a]. Планируемые результаты отвечают самому современному уровню исследований в области теоретического моделирования молекулярных систем. Ожидаемые в конце первого года конкретные научные результаты: Результаты КХ расчетов комплексов производных фурана и антрацена и оценка применимости различных КХ приближений на основании сравнения полученных результатов с экспериментальными данными [W.T. Yip, D.H. Levy, J. Phys. Chem., 1996, 100, 11539−11545; M. Sugino, Y. Araki, K. Hatanaka, I. Hisaki, M. Miyata, and N. Tohnai., Cryst. Growth Des, 2013, 13, 4986–4992.) ]. Структура и свойства эксиплексов возникающих на интерфейсе одной из предложенных выше систем. Расчёты электронной и дырочной проводимости материалов для OLED α-NPD и m-MTDATA по теории [Basilevsky M.V. & Titov S.V. (2017)]. Разработка МД ячейки, состоящей из 2 фотоактивных слоев, определение эксиплексов на границе раздела, расчет энергий и спектров полученных систем в газовой и конденсированной фазе. Результаты КХ расчетов спектров поглощения и определения активных мод рассматриваемых систем. Расчёты электронной и дырочной проводимости материалов α-NPD и m-MTDATA по теории предложенной в [Basilevsky M.V. & Titov S.V. (2017)]. Зависимость энергии эксиплексов Ir(MDQ)2(acac):α-NPD от взаимной ориентации мономеров. МД и КХ расчеты контактных пар комплексов Ir(MDQ)2(acac) и α-NPD. Опыт работы коллектива показывает, что решение поставленных задач вполне достижимо, а ожидаемые результаты будут соответствовать современному мировому уровню исследований.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---