基于“最优调控”密度泛函方法准确预测有机光电材料中单-三重态能隙的理论研究

The singlet-triplet gap (ΔEST) of organic molecules is one of the important factors in affecting the performance of materials and efficiency of devices in the fields of organic optoelectronics. Tuning the ΔEST has become the current research focus in this field. Theoretically, a reliable prediction of ΔEST plays a vital role in assisting the molecular design and development of materials. However, the main issue comes from the lack of reliable theoretical tool which can achieve the good balance between the accuracy of results and computational cost. In this work, we theoretically study the ΔEST by comparing to the existing experimental results and perform the non-empirical, optimal tuning of parameters based on the long-range density functional by combining the polarizable continuum model and algorithm optimization. We aim to develop a reliable method for the comprehensive, efficient and accurate description of properties of excited states of large-size molecules. This method will be further employed to study the influence of inner electronic structure and environmental polarization effect on the calculation of ΔEST, and lastly, to summarize the structure-property relationship and evaluation parameters. The result can provide new guidance for investigation of other related excited-state issues and offer powerful theoretical tools for the development of novel and high-efficiency organic optoelectronic materials.

有机分子的单-三重态能隙（ΔEST）是新型有机光电材料领域中影响材料性能和器件效率的一个重要因素，调控ΔEST成为了当前新的研究热点，从理论上高效精确地预测ΔEST对于辅助材料开发和分子设计至关重要。但目前对于这类材料的激发态电子结构的理论研究尚存不足，最主要的问题就是缺少一种能在预测结果的精度和计算效率之间达到平衡的理论方法。本项目拟以ΔEST为主要研究对象，通过参照已有的实验结果，在长程密度泛函理论框架下对泛函参数进行非经验、最优化调控，结合极化连续介质模型和算法优化，发展一套能够全面、高效、准确描述大尺寸材料分子的激发态性质的计算方法；进一步揭示材料分子的内部电子结构与外部环境因素对ΔEST的影响规律，最终提炼构效关系并总结评估指标。研究结果将为发展新型、高效有机光电材料提供可靠的理论工具，为探究其它相关体系的激发态问题提供新的思路。

有机光电材料是一类具有光-电或电-光转化功能的有机材料，例如有机发光二极管、有机太阳能电池等，在新型显示与照明、新能源、新信息传输与存储等领域显现出广阔的应用前景，受到学术界和工业界的广泛关注。对有机光电子理论的研究一直以来都是化学、材料、物理和信息等诸多学科前言和交叉领域的研究热点。有机分子的单-三重态能隙（ΔEST）是新型有机光电材料领域中影响材料性能和器件效率的一个重要因素，调控ΔEST成为了当前新的研究热点，从理论上高效精确地预测ΔEST对于辅助材料开发和分子设计至关重要。但目前对于这类材料的激发态电子结构的理论研究尚存不足，最主要的问题就是缺少一种能在预测结果的精度和计算效率之间达到平衡的理论方法。本项目以ΔEST为主要研究对象，通过参照已有的实验结果，发展了一套能够全面、高效、准确描述大尺寸材料分子的激发态性质的计算方法，即结合极化连续介质模型的最优调控区间分离密度泛函理论。我们利用极化连续介质模型和最优调控区间分离杂化泛函来定量研究表征并苯晶体（从蒽到并六苯）的激发态性质，发现计算的最低单重态和三重态的垂直激发能，单-三重态能隙，以及激子结合能与相对应的实验值吻合得很好；首次系统地研究了固态极化效应对热激发延迟荧光分子的激发态能级差ΔEST的影响，发现随着固态下介电常数的增加，对应的ΔEST逐渐减小，这将有利于实现高效的延迟荧光效应。总之，这种方法提供了一种便捷高效的计算工具来研究有机体系的激发态性能。研究结果将为发展新型、高效有机光电材料提供可靠的理论工具，为探究其它相关体系的激发态问题提供新的思路。