多共振热激活延迟荧光过程的理论研究

本工作借助第一性原理和动力学演化,系统地研究了四个叔丁基-咔唑及吩噻嗪取代的硼-氮化合物(BCz-BN、2PTZ-BN、Cz-PTZ-BN和2Cz-PTZ-BN)的多共振热激活延迟荧光的高效发光机制.结果表明上述分子T₁与T₂间的内转换速率远大于其它辐射与非辐射速率,同时T₂到S₁的反向系间窜越速率也高于T₁到S₁的反向系间窜越速率,因此其多共振热激活延迟荧光过程应遵循T₁→T₂→S₁→S₀的路径.进一步动力学演化表明,T₁与T₂之间的内转换主要发生在演化初期,随着时间的推移,能量逐渐由T₂向S₁转移,并最终在S₁完成荧光发射.上述研究揭示了多共振延迟荧光的微观本质,为未来设计及合成新的多共振热激活延迟荧光分子提供了理论依据.     

供电子基团修饰对NNI-R系列分子光物理性质的影响

设计了一系列具有不同供电子基团的N-苯基-1,8-萘二甲酰亚胺衍生物(NNI-R), 对它们在二氯甲烷和气相中的几何结构、 电子结构以及室温磷光性能进行了研究. 在二氯甲烷极性溶剂中, NNI-R系列分子的最低单重激发态(S₁)有2个异构体, 分别表现为局域激发(LE)和电荷转移激发(CT). 具有弱给电子体(R=OMe, OH)时的NNI-R分子, 其S₁态为LE结构, 给体和受体间二面角垂直, 其总能量远低于CT结构, 会抑制系间窜越(ISC)的发生, 不会发生磷光现象. 在气相下, NNI-R系列分子的S₁态只有一种稳定的CT结构, 该特征能显著抑制荧光发射, 并有效促进系间窜越, 使NNI-R系列分子的室温磷光发射成为一种可能.     

基于给-受体结构的热活化延迟荧光材料

热活化延迟荧光（TADF）材料由于第一单线态（S₁）与三线态激发态（T₁）之间的能级差较小,使得三线态激子能够有效地系间窜越至单线态发光,实现100%的激子利用率,在有机发光二极管（OLED）等领域得到广泛应用,是目前有机电子学研究的热点之一。基于给-受体（D-A）结构构建TADF材料具有分子设计简便、易于制备、性能优异等特点,引起了人们的普遍关注。本文综述了基于D-A结构设计TADF材料的基本原则,依据给受体构筑单元的不同,概括了各类TADF材料的结构和性能特点以及在器件应用等方面的最新研究进展,最后总结了D-A结构型TADF材料尚存在的问题,并对其未来的关键研究方向进行了分析和展望。     

蓝光热激活延迟荧光分子设计策略概述

热激活延迟荧光（thermally activated delayed fluorescence,TADF）分子由于三重态上的激子可以通过反向系间窜越到单重态并辐射发出荧光，因此在有机发光二极管（organic lightemitting diode, OLED）中理论上可以实现100%的激子利用率。具有TADF特性的发光材料融合了第一代荧光材料和第二代磷光材料的优点，不仅可以实现100%的内量子效率，还有助于降低器件的材料成本，被誉为第三代OLED发光材料，并成为突破高效稳定蓝光OLED瓶颈的潜在解决方案。本文从发光机理出发，系统阐述了高效稳定蓝光TADF分子的设计策略，包括高荧光量子产率、短延迟荧光寿命、窄发射光谱半峰宽、显著的水平分子取向和良好的光电稳定性等。本文旨在为高性能蓝光TADF分子的开发提供理论支持。最后，总结了当前蓝光TADF材料存在的问题，并对其未来的发展前景进行了展望。     

2-甲基噻吩光异构化成3-甲基噻吩的理论研究

用CASSCF方法以6-31G基组研究了2-甲基噻吩光异构化为3-甲基噻吩的光化学反应和基态(S₀)及三重激发态(T₁)的相关势能面.反应主要发生在三重态(T₁)上,其间经历了两个双自由基,1个三元环中间体及4个过渡态.沿着反应路径找到了2个T₁/S₀势能面交叉点,其结构都类似于双自由基.在第二个T₁/S₀势能面交叉点附近由T₁向S₀的系间窜越(ISC)最为有利.     

理论研究二米基硼B(Mes)2位置异构对Ir(III)配合物Ir(ppy)2(acac)的光物理性质的影响

采用DFT/TDDFT方法研究了二米基硼B（Mes）₂基团修饰的一类Ir（ppy）₂（acac）配合物1～3的光物理性质. 计算了电子结构,吸收和发射光谱以及自旋轨道耦合矩阵< T₁^α|H_SOC|S_n >和辐射跃迁速率（k_r）,探讨了取代基位置不同对磷光辐射和非辐射跃迁性质的影响. 研究结果表明：向ppy配体的吡啶环引入B（Mes）₂基团,能够加强金属铱（Ir）与配体乙酰丙酮（acac）的相互作用,减小单-三重态能级差ΔE（S₁-T₁）,提高系间窜跃速率和磷光辐射跃迁速率. 向ppy配体的苯环引入B（Mes）₂基团则增大了S₀与T₁的结构变形和自旋轨道耦合矩阵< S₀|H_SOC|T₁ >,使非辐射跃迁速率增加. B（Mes）₂基团位置异构,导致金属d轨道分裂方式不同,其在三个方向的自旋轨道耦合作用不同,辐射跃迁和非辐射跃迁都随之改变. 从理论上解释了通过对ppy配体的吡啶环修饰可获得高磷光量子产率的原因.     

热激活延迟荧光材料的光物理行为及性能预测

热激活延迟荧光(Thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料由于三线态激子可通过反系间窜越(Reverse intersystem crossing, RISC)转换为单线态激子,在有机发光二极管(Organic light-emitting diodes, OLEDs)中理论上可达到100%的激子利用率而被广泛关注。但实验上开发设计高性能TADF材料较为复杂且研究周期较长,理论研究可以从本质上建立材料结构-性能的关系,预测材料的性质并提供一定的分子设计策略。本文围绕高性能TADF材料的开发,从发光原理出发,系统阐述了分子的设计策略及光物理参数如材料单-三线态能级差(Single-triplet energy gap, ΔE_ST)、系间/反系间窜越速率、吸收/发射光谱、辐射/非辐射速率等的计算原理、计算方法和研究进展。最后我们探讨了TADF材料理论研究面临的机遇和挑战,通过对TADF材料的理论研究综述和研究前景的展望,期待吸引更多的研究工作者,推动该领域的发展和突破。     

9,10-二氰基蒽和杜烯间光诱导电子转移的电荷分离态和电子耦合

采用从头算方法,讨论了9,10-二氰基蒽(DCA)和杜烯(DUR)间光诱导电子转移反应的态-态跃迁.考虑基组重叠误差(BSSE)对相互作用能的校正,用MP₂方法优化得到重叠式[DCA…DUR]配合物的稳定构型.用单激发组态相互作用(CIS)方法讨论了[DCA…DUR]配合物的光诱导电荷分离和电荷复合过程.根据广义Mulliken-Hush(GMH)模型,计算了电荷复合过程的电子耦合矩阵元.结果表明,[DCA…DUR]配合物的S₀→S₁和S₀→S₂跃迁产生了两个强的局域激发态,S₀→S₃跃迁直接导致电荷分离态,小的振子强度预测该电荷转移(CT)跃迁是一弱跃迁,电荷分离态S₃衰变到低局域激发态或基态的电荷复合是可能的.     

硫代樟脑光化学反应的理论研究

运用量子化学方法优化了硫代樟脑的最低5个电子态(S₀, T₁, S₁, T₂和S₂)的结构, 并计算了它们的相对能量. 计算结果表明: S₁, T₁和T₂态的能量非常接近, 而S₂的能量远远高于T₂态, 这与之前对几种小的硫代羰基化合物的研究结论一致. 确定了硫代樟脑分子在T₁态发生β-插入反应和类Norrish II型反应的机理, 计算的势垒相对于S₀的振动零点分别为314.1和332.6 kJ/mol. 在400 nm波长的光的照射下, 分子被激发到S₁态, 此时分子没有足够的能量发生反应, 只能通过内转换回到基态. 当激发光波长在254 nm时, 硫代樟脑分子被激发到S₂态, 这时候体系有了足够的内部能量使反应发生. 实验上已经观察到此激发光波长下, 气态硫代樟脑可以发生β-插入反应和类Norrish II型反应.     

萤火虫氧化荧光素及其衍生物的电子结构和光物理性质

通过密度泛函理论(DFT)的MPW3PBE泛函, 对萤火虫生物发光底物氧化荧光素及其衍生物进行了结构全优化. 计算了其电离能、 电子亲和势、 空穴抽取能、 电子抽取能、 空穴和电子重组能, 并评估了其空穴和电子传输能力. 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)//MPW3PBE/6-31+G(d)方法计算了吸收光谱, 优化了最低单重态S₁, 研究了其荧光光谱, 进而考察了具有较高发光效率的氧化荧光素作为有机发光二极管(OLED)材料的可能性. 计算结果表明, 氧化荧光素及其衍生物可以同时作为电子传输层和发光层材料.     

3CzIPN分子热活化延迟荧光机制的理论研究

运用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,在以苯为溶剂的可极化连续模型(PCM)下,研究了2,4,6-三(9-咔唑基)-间苯二腈(3CzIPN)分子发生热活化延迟荧光(TADF)的反应机制.计算结果表明,3CzIPN分子的单-三态能量差非常小,仅为0.124 eV,这对反系间窜越(RISC)非常有利.此外,3CzIPN分子的RISC速率达到了104数量级,表明3CzIPN分子可能是一个潜在的TADF发射体.     

DNA环境中硒代胸腺嘧啶和腺嘌呤碱基对的激发态性质和光物理机理的理论研究

应用高精度的多态完全活化自洽场二级微扰理论方法, 在量子力学/分子力学组合方法的理论框架 QM(MS-CASPT2//CASSCF)/MM下, 系统研究了DNA环境中2-硒和4-硒取代胸腺嘧啶和腺嘌呤碱基对(2SeT-A和4SeT-A)的最低5个电子态(S₀, S₁, S₂, T₂和T₁)的结构、 性质和光物理过程. QM(MS-CASPT2//CASSCF)/MM计算揭示了DNA环境中2SeT-A和4SeT-A碱基对激发态性质和光物理过程差异性的来源, 提出的机理将有助于理解DNA类似物的光物理过程, 在光动力学治疗中具有潜在的应用.     

9,9-二(十六烷基)芴基二聚炔铂、金和汞配合物的合成与性质

用Hagihara脱氢卤代法合成了三种新的9,9-二(十六烷基)芴基二聚炔铂(d⁸)、金和汞(d¹⁰)化合物反式- [Pt(Ph)(PEt₃)₂C≡CRC≡CPt(Ph)(PEt₃)₂, [(PPh₃)AuC≡CRC≡CAu(PPh₃)]和[MeHgC≡CRC≡CHgMe] [R＝9,9-二(十六烷基)芴基]. 用¹H NMR, ¹³C NMR, ³¹P NMR, FT-IR, FAB-MS, UV-Vis, 荧光和磷光光谱对其进行了表征. 结果表明, 体系中的铂、金和汞产生的重原子效应可以有效地促进单线激发态S₁与三线激发态T₁的系间跃迁, 使标题化合物产生有机三线态发光.     

基于铜金属有机配合物的热活化延迟荧光材料

具有热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)特性的配合物可以同时利用单重态和三重态激子,因此发光量子效率较高,近年来受到广大科研工作者的关注。特别是铜金属有机配合物,最低单重态和最低三重态的能量差较小,又可以通过不同配体或取代基进行调节,所以具有较好TADF性能。本文根据配位原子的类型,汇总和分析了近5年具有TADF性质的铜配合物的结构特点和发光性能,并简要讨论了其在有机发光二极管(organic light-emitting diodes,OLEDs)中的潜在应用。     

蓝光材料Ir(Ⅲ)配合物的磷光效率与光谱的振动关联函数研究

由于发光效率低和稳定性差,蓝色磷光材料一直是发光材料研究领域的瓶颈.为了更深层次地理解蓝色磷光分子结构与发光效率之间的关系,本工作结合密度泛函理论,运用作者新近发展的系间窜越速率的振动关联函数计算方法,定量研究了新型蓝光发射分子fac-tris(2-(4,6-difluorophenyl)pyridyl iridium(fac-Ir(F2ppy)3)的磷光光谱、辐射跃迁和无辐射跃迁速率及其与温度的依赖关系,计算结果很好地解释了实验测量结果.计算表明:(1)相较于未取代的绿光材料fac-Ir(ppy)3,杂原子F的引入增加了T1与S0的能隙,使得光谱蓝移,但没有带来额外的分子结构弛豫的重整能,从而使得该蓝色材料保持了高的发光效率;(2)无辐射跃迁过程所耗散的电子激发态能量主要是通过配体L1中的连接氟化苯环和吡啶环的C(5)—C(46)键、吡啶环内C(43)—C(44)键和C(42)—C(47)键及氟化苯环内的C(3)—C(6)键的伸缩振动,因此,理论研究表明可以通过分子设计来抑制这些振动来进一步提高这类材料的发光效率.     

磷光客体三重态能级对基于PVK主体的电致发光器件的影响

将磷光客体掺入PVK:PBD主体材料中是获得高效率磷光电致发光器件 (PhPLED)的有效途径.然而,分别掺杂Ir(pppy)₃、Ir(F-pppy)₃和Ir(F₂-pppy)₃三种磷光客体的PhPLED器件性能件却显著不同.我们分别模拟主-客体间能量转移和客体直接捕获电子空穴对两种机制,研究了三种客体材料的磷光发射及其衰减过程.研究表明:平衡的载流子注入和客体高效率的载流子捕获是实现Ir-配合物掺杂的PhPLED器件性能优良的主要机制,PVK较低的三重态能级使其无法成为蓝光磷光电致发光器件的主体,在PVK中掺入PBD的方法,则进一步降低了主体材料的三重态能级,这是蓝光磷光电致发光器件运行效率较低的主要原因.本文的研究结果可为高分子磷光电致发光器件的制备技术和新型磷光主体的设计提供参考.     

“眼镜”状碘化亚铜配合物的调光和双光子发光性质

将半柔性的π-不饱和双吡啶端基配体3-pebtd与CuI分别在不同的溶剂中分层扩散, 经自组装得到8种具有Cu₂I₂L₂构型的眼镜状碘化亚铜配合物. 利用X射线单晶衍射、 X射线粉末衍射和元素分析等方法确定了配合物的结构. 对配合物的光物理性质进行了表征, 结果表明, 不同溶剂中自组装得到的配合物的单光子发光均表现出单一荧光峰, 这可归因于卤素到配体的电荷转移( ³XLCT); 并且这些配合物的发光颜色由492 到518 nm可调, 量子产率为33.1%~68.5%. 同时, 这类配合物表现出较优异的双光子发光性质, 有望将其用于生物成像领域.     

小分子铱配合物及其电致发光

由于磷光金属配合物可以同时利用单线态和三线态激子发光,使有机电致发光器件的理论内量子效率达到100%,突破了25%的极限。因而以磷光金属配合物为发光材料制成的器件备受关注。在这些金属配合物中,铱配合物由于具有较强的发光特性、发光波长可调性、较好的热稳定性和电化学稳定性以及能够形成便于蒸镀的中性分子,而成为最有应用潜力的电致磷光材料。本文综述了近几年铱配合物磷光材料在分子设计与合成方法、发光机理及器件构筑等方面的研究进展。特别介绍与讨论了磷光铱配合物的两种发光机理,即基于同配体铱配合物或异配体铱配合物的主配体到中心金属离子的电荷转移三线态(³MLCT)发射和基于异配体铱配合物的辅助配体三线态(³LC)发射。根据反应条件的差异,归纳总结了合成铱配合物常用的4种方法以及合成fac式和mer式的铱配合物的方法。还根据材料的发光颜色及其电致发光的不同,对磷光铱配合物材料进行了分类与讨论。此外,简要介绍了用于器件制作的主体材料。最后,展望了金属有机配合物电致磷光材料的发展前景,并提出了今后磷光材料的发展方向。     

三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物为光敏剂的二元铁氢化酶模拟化合物的合成及其光物理过程

合成了以三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物为光敏剂的PS-Fe₂S₂型模拟铁氢化酶分子光催化剂1a及其分子间光催化模型化合物1b和2, 研究了配合物1a和1b的吸收光谱, 发光光谱及电化学性质. 配合物1a和1b均表现出三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物的MLCT吸收峰; 与不含Fe₂S₂基团的配合物1b相比, 在配合物1a中三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物单元的发光被明显猝灭, 猝灭程度为92%. 而在同样浓度下, 配合物1b与2组成的分子间体系中三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物的发光仅被猝灭了4%. 通过Rehm-Weller方程计算得出由三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物单元到Fe₂S₂活性中心的光致电子转移自由能为正, 表明分子内1a和分子间1b+2体系均不能发生光致电子转移, 体系发光猝灭的原因是三联吡啶锇Os(Ⅱ)配合物³MLCT激发态与铁氢化酶模拟活性中心Fe₂S₂的能量转移.     

BPh-2(mqp)的电子结构和光谱性质的含时密度泛函理论研究

采用abinitioHF和DFTB3LYP方法,对配合物BPh₂(mqp)基态结构进行优化,分析了前线分子轨道特征和能级分布.用abinitioCIS方法优化体系激发态结构.用含时密度泛函理论(TD-DFT)对BPh₂(mqp)的电子光谱进行了研究.结果发现,该物质是配体发光配合物,其发光源于mqp配体内π^*→π的电子跃迁.这表明在mqp配体上进行修饰,可有效地影响配合物前线分子轨道分布,达到调整发光波段的目的.