聚集诱导有机室温磷光分子发光性能的理论研究

As the new-generation luminescent materials, aggregation induced emission organic room temperature phosphorescence (AIE-RTP) materials have attracted much attention due to their features of long afterglow and high exciton utilization. To date, both the species and amounts of AIE-RTP molecules are far from meeting the requirement for practical applications, this is caused by the lack of systematic studies on the relationship between molecular structures and luminescent properties. Moreover, AIE-RTP molecules exhibit phosphorescent properties in the aggregated state. Thus, it is important to study the molecular luminescent properties in the aggregated state for understanding the effects of intermolecular interactions on the luminescent properties. In this project, a combined quantum mechanics and molecular mechanics (QM/MM) method as well as the thermal vibration correlation function (TVCF) method will be used to investigate the phosphorescent spectra and excited state dynamics of organic molecules in the aggregated state. The effects of molecular aggregated structures on luminescent properties will be illustrated. Meanwhile, the luminescent mechanism and the exciton transfer mechanism will be revealed. Furthermore, the efficiency and lifetime of phosphorescence will be calculated, which could provide theoretical references for optimizing and designing new AIE-RTP molecules with high efficiencies and long lifetimes. This proposal will provide significant theoretical foundations for understanding and regulating the luminescent properties of AIE-RTP molecules in the aggregated state, and further promote the development of AIE-RTP molecules in organic light emitting diodes (OLEDs).

作为新一代发光材料，聚集诱导有机室温磷光(AIE-RTP)分子材料凭借其长余辉和高效激子利用率等特点而备受关注。目前，AIE-RTP分子的种类和数量远不能满足实际应用需求，究其原因是缺乏对分子结构与发光性能关系的系统性研究。此外，考虑到AIE-RTP分子材料是在聚集态下表现出磷光性能，因此开展聚集态条件下分子发光性能的研究，对理解分子间相互作用对分子发光性质的影响非常重要。本项目拟采用量子力学与分子力学结合的方法以及热振动关联函数的方法对聚集态下有机分子的激发态动力学过程进行探究，阐述分子聚集结构对发光性质的影响，并揭示AIE-RTP分子材料的发光机制和激子转换机制。计算磷光效率和磷光寿命，为优化和设计新型高效率且长寿命AIE-RTP分子提供理论依据。本项目的实施将有助于人们理解聚集态下AIE-RTP分子的发光机理并掌握其发光性能的调控规律，从而推动其在有机发光二极管等领域的应用和发展。

有机室温磷光(RTP)材料凭借长余辉特性而备受关注，且RTP分子的激发态属性对周围环境非常敏感，不同聚集体下的磷光性质各有差异。因此，开展聚集体下RTP分子激发态释能过程的多尺度模拟研究十分必要。我们基于第一性原理的计算方法结合量子力学与分子力学结合(QM/MM)方法及热振动关联函数方法，对RTP分子不同状态下的磷光性质进行了细致探究，通过计算系间窜越(ISC)速率，辐射和无辐射速率，探究激子动态演化对激发态释能过程的影响，揭示分子结构-聚集形态-磷光性质间的关系。基于此，我们采用QM/MM方法，对具有RTP特性分子的激发态性质进行了理论研究。结果表明，与其他的由于限制分子内运动机制而导致无辐射衰变速率降低的机制不同，该分子产生聚集诱导发光的主要原因是聚集过程中磷光速率的提高，这项工作解释了实验结果并提供了聚集诱导 RTP 的新机理；此外，为了得到既具有长寿命又具有高效率的 RTP 分子，我们系统地研究了一系列长烷基链分子的光物理性质。采用 “最优调控”区间分离密度泛函(RS)相结合的方法来研究该系列分子的发光性质，结果表明，通过调节有机 RTP 分子中烷基链的长度和数目，可以减小最低单重激发态和三重激发态之间的能差，从而减少无辐射能量消耗过程。该研究揭示了分子结构、寿命和效率之间的关系，为探索有机无溶剂体系的高效RTP 提供了重要基础。同时，我们研究了取代效应对RTP发光性质的影响，证实了分子间 H 键相互作用有效促进了键长的振动运动。此外，固态效应增强了自旋轨道耦合效应，这有助于促进 ISC 过程。通过这项研究，我们阐述了分子结构与 RTP 特性之间的关系，并可以利用独特的分子设计来开发高性能发光分子。此外我们还探究了卤素取代和分子间相互作用对三重态激子动力学的影响，并揭示了一类反卡莎规则的RTP分子的内部物理机制。本项目的实施有助于人们理解聚集体下RTP分子发光机理并掌握其磷光性能的调控规律，实现从RTP材料的微观结构到宏观性质的可控构筑。