熱活化延遲熒光材料三線態激發態的性質研究

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光材料引起了人們的廣泛關注。TADF材料可以將不發光的三重態（triplet, T1）激子轉換為發光的單重態(singlet, S1)激子，增加單重態激子的產率，從而提高材料的內量子效率。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重要。TADF材料的單重態激發態一般為電荷轉移激發態（CT）的性質，而不同的三線態的性質（是否含有局域激發（local excitation，LE）性質）將對RISC過程起到決定性的作用。

本項目通過對一類螺環型熱活化延遲熒光材料的三重態激發態的性質研究，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TADF分子的激發態性質。通過調節給體和受體推拉電子的強度，螺環TADF分子具有相似的S1態（CT性質）和五種不同T1態（LEA, CT + LEA, CT, CT + LED, and LED）。不同的T1態，不僅影響T1和S1的自旋耦合常數（SOC）而且影響激發態的重組能（λ），從而影響RISC速率。根據RISC速率公式可知，大的SOC常數和小的λ更有利于提升RISC速率。研究發現在T1態中含有的LE態的比例越高，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，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，證明通過調節給受體強度來調控三線態的激發態，可以用來設計高效的TADF分子。該項研究工作發表在RSC的材料化學雜志（J. Mater. Chem. C2023, 11, 6119）。

03 圖文導讀

圖１所研究的螺環型分子的結構

圖２ 優化的１和３的分子結構

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激發態的自然躍遷軌道

圖5 KISC速率與單三能級差，SOC和λ的關系

圖6所研究的分子的可能的三種TADF機制

04 小結

本文使用鴻之微分子發光與輸運性質計算軟件MOMAP等軟件工具，計算了螺環型熱活化延遲熒光材料三線態激發態的性質。通過調節電子給體和和受體的給電子和接受電子能力的不同，有效的調控了三重態激發態的性質，使其分別具有了LEA, CT + LEA, CT, CT + LED,和LED的性質（如下圖所示）。通過計算RISC的速率，發現不同的激發態性質對SOC常數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的關系。研究結果表明，改變分子的給體和受體的推拉電子的能力，可以實現調控三重態的性質，提高RISC速率，建立結構與性能的對應關系，從而設計高效的TADF分子。

審核編輯：劉清