采用量子力学和分子力学(QM/MM)相结合的方法研究固态发光材料的激发态过程

高效发光材料因在有机电子学、光电子学、材料科学和生物学等领域的潜在应用，越来越受到科学界和产业界的关注。近十年来，聚集诱导发光现象被逐渐认识和理解，但这种奇异的光物理现象的微观理论基础是什么？由于实验研究难以从微观层次揭示发光材料的结构与其发光效率的内在联系，因此有必要与理论和计算化学结合。本项目运用量子力学和分子力学(QM/MM)相结合方法研究固态发光材料的激发态过程。研究发光材料的光谱、辐射和无辐射速率,计算其发光效率；探讨分子组成、构象和聚集形态等因素对发光效率的影响；理论设计和筛选出潜在的高效发光材料；解释和预测新的实验现象，为设计合成新型发光材料提供重要理论依据，这对有机光电材料的发展和应用具有重要的理论指导意义。本项目的创新点是采用QM/MM方法实现了固态发光材料的激发态过程研究，定量计算其发光效率，突破了目前只对气态单分子发光性质的理论研究计算。

本项目的研究目标是结合课题组发展的激发态热振动关联函数理论，建立一套运用 QM/MM方法研究固态有机发光材料激发态过程理论的省时有效的计算方案；以典型的固态发光分子为例，考察聚集发光的一般性规律；探讨分子组成、刚性结构、构象等和发光性能间的关系；解释和预测新的实验现象，为设计合成新型发光材料提供重要理论依据。本项目要解决的关键科学问题是应用QM/MM方法研究固态有机发光材料激发态过程；探讨影响固态材料发光效率的因素，探索具有聚集诱导发光特性分子激发态运动规律及其可调控性，设计发光效率高达100%的有机发光材料。经过3年的努力，本项目取得以下成果：（1）研究了聚集态下两个吡嗪类衍生物分子（DCDPP和DCPP）的激发态衰减过程，得出DCDPP具有聚集诱导发光现象的原因是苯环扭转所对应的低频模式抑制了无辐射能量通道；（2）研究了吲哚衍生物CPEI的激发态衰减过程，发现由分子间氢键引起的分子堆积能够大大抑制化合物激发态的无辐射衰减过程，而对辐射衰减过程影响不大，从而提高了聚集态下的荧光效率；（3）进一步探讨了聚集诱导发光蓝移现象，发现固态下相对小的Stokes位移是发射蓝移的内因。