复杂体系的激发态过程的理论研究

有机发光材料由于其高效率、柔性、大尺寸、廉价、环保等方面的优点，越来越受到工业界和科学界关注。发光效率是评估有机发光材料的重要物理指标。它是个复杂的化学动力学中激发态能量衰减过程的问题，属于理论化学的前沿领域，难度很大。实现分子材料的发光效率预测是本项目的研究重点。此课题不仅有重要的理论基础意义，更能为分子材料设计提供有力的工具。突破现有理论形式的局限性，考虑到分子基态与激发态势能面差异，实现对"大"的较复杂体系发光效率的定量预测是本项目的一大特色。建立一套有效的有机发光效率预测方案，评定出影响有机发光的重要因素，设计出新型、高效、稳定的有机发光材料是本项目的研究目标。

实现有机发光材料分子的本征发光效率的定量预测一直是材料科学家梦寐以求的事情。发光效率是激发态能量耗散的动力学过程，涉及到复杂的电子与核，自旋与轨道等耦合作用，属于目前国际上最具有挑战性问题之一。本项目在已有的工作基础上，自主发展和建立了一套完整的、普适的预测分子发光量子效率的热振动关联函数方法。该理论方法涵盖了各个光物理过程，例如吸收光谱、荧光和磷光光谱及辐射、内转换和系间窜越速率的理论计算，并且优势显著：（1）光谱和速率计算公式具有简洁统一的数学形式，只涉及几个简单矩阵的加减乘除运算；（2）在光谱和辐射速率公式中，分子的任意模式之间Duschinky转动和Herzberg-Teller效应的自然结合；（3）系间窜越速率公式中，自旋轨道耦合与非绝热电子耦合有机地结合；（4）快速傅里叶变换技术的使用大大加速了速率的数值计算；（5）光谱理论与传统理论方法（如目前最流行的Gaussian09程序包）相比，计算量由(a+1)N (a 是截断的振动量子数，N是分子的振动模式数目) 降低到N3；并且考虑了温度效应；谱线展宽直接由统计分布得到，而非人为设定，从而更具有预测性。同时，完成了一整套具有自主知识产权的理论预测有机发光效率程序包的编写工作。.结合量化计算，应用此理论方法，（1）理论设计了一系列红光和近红外高效发光的X-annulated rylenes体系，同时建立起高效发光分子设计的有效方案；（2）理论设计了一系列窄能隙的聚噻吩乙烯PTV光伏聚合物，揭示了聚合物高效发光与高效光伏效率之间的相关性：高效发光且吸收与发射光谱很大程度的交叠及长的激子扩散长度的聚合物才能充当优秀的光伏材料，并预测羰基取代PTV是很好的光伏材料（3）量化计算采用量子力学和分子力学混合方法，理论研究了一些聚集诱导发光体系在聚集状态下的发光性质。通过与气相表现的发光性质比较，得出发光性质从单分子到聚集状态下所发生的改变，合理解释了聚集诱导发光现象：一些芳香环在气相下可以自由转动，无辐射耗散了激发态能量，而在聚集状态下受到了很大程度的抑制，使得激发态的无辐射衰减途径被阻塞，则辐射衰减过程占主导地位，从而表现出很强的荧光。