01 引言

熱活化延遲熒光材料（thermally activated delayed fluorescence, TADF）作為第三代有機電致發(fā)光材料引起了人們的廣泛關(guān)注。TADF材料可以將不發(fā)光的三重態(tài)（triplet, T1）激子轉(zhuǎn)換為發(fā)光的單重態(tài)(singlet, S1)激子，增加單重態(tài)激子的產(chǎn)率，從而提高材料的內(nèi)量子效率。因此從T1到S1的反系間竄躍（Reverse Intersystem crossing，RISC)對于提升激子的利用和抑制效率滾降至關(guān)重要。TADF材料的單重態(tài)激發(fā)態(tài)一般為電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)（CT）的性質(zhì)，而不同的三線態(tài)的性質(zhì)（是否含有局域激發(fā)（local excitation，LE）性質(zhì)）將對RISC過程起到?jīng)Q定性的作用。

本項目通過對一類螺環(huán)型熱活化延遲熒光材料的三重態(tài)激發(fā)態(tài)的性質(zhì)研究，探討了影響RISC過程的決定因素，并對TADF材料的分子設計給出理論指導。

02 成果簡介

本項目基于量子化學密度泛函理論，采用MOMAP等軟件，深入研究了6個螺環(huán)TADF分子的激發(fā)態(tài)性質(zhì)。通過調(diào)節(jié)給體和受體推拉電子的強度，螺環(huán)TADF分子具有相似的S1態(tài)（CT性質(zhì)）和五種不同T1態(tài)（LEA, CT + LEA, CT, CT + LED, and LED）。不同的T1態(tài)，不僅影響T1和S1的自旋耦合常數(shù)（SOC）而且影響激發(fā)態(tài)的重組能（λ），從而影響RISC速率。根據(jù)RISC速率公式可知，大的SOC常數(shù)和小的λ更有利于提升RISC速率。研究發(fā)現(xiàn)在T1態(tài)中含有的LE態(tài)的比例越高，越有利于得到大的SOC，但也會導致大的λ不利于反系間過程。而CT和LE的混合的T1態(tài)，會得到中等大小的SOC和λ，反而會獲得較大的RISC速率。通過分子輻射速率的計算，證明通過調(diào)節(jié)給受體強度來調(diào)控三線態(tài)的激發(fā)態(tài)，可以用來設計高效的TADF分子。該項研究工作發(fā)表在RSC的材料化學雜志（J. Mater. Chem. C2023, 11, 6119）。

03 圖文導讀

圖１所研究的螺環(huán)型分子的結(jié)構(gòu)

圖２ 優(yōu)化的１和３的分子結(jié)構(gòu)

圖3所研究分子的HOMO和LUMO分布和能級差

圖4所研究分子的S1, T1和T2激發(fā)態(tài)的自然躍遷軌道

圖5 KISC速率與單三能級差，SOC和λ的關(guān)系

圖6所研究的分子的可能的三種TADF機制

04 小結(jié)

本文使用鴻之微分子發(fā)光與輸運性質(zhì)計算軟件MOMAP等軟件工具，計算了螺環(huán)型熱活化延遲熒光材料三線態(tài)激發(fā)態(tài)的性質(zhì)。通過調(diào)節(jié)電子給體和和受體的給電子和接受電子能力的不同，有效的調(diào)控了三重態(tài)激發(fā)態(tài)的性質(zhì)，使其分別具有了LEA, CT + LEA, CT, CT + LED,和LED的性質(zhì)（如下圖所示）。通過計算RISC的速率，發(fā)現(xiàn)不同的激發(fā)態(tài)性質(zhì)對SOC常數(shù)和反系間過程的重組能有不同的作用，進而探討了RISC速率與單三能級差，SOC和λ的關(guān)系。研究結(jié)果表明，改變分子的給體和受體的推拉電子的能力，可以實現(xiàn)調(diào)控三重態(tài)的性質(zhì)，提高RISC速率，建立結(jié)構(gòu)與性能的對應關(guān)系，從而設計高效的TADF分子。

審核編輯：劉清