帅志刚: 高效长寿命有机室温磷光材料设计的分子描述符

shouheng

长余辉有机室温磷光（RTP）材料由于在生物成像、数字加密和光电器件等方面具有潜在的应用而备受关注。由于纯有机分子的旋轨耦合比较弱和三线态对温度和氧气高度敏感，长期以来有机材料被认为是没有磷光的。最近，有研究证明一些纯有机化合物表现出高效的固态RTP，但其发光效率和寿命不可兼得。纵观目前的纯有机室温磷光材料，有些是效率高但寿命短，有些是效率低但寿命长。为了解决这一难题，几个课题组设计芳香类羰基化合物，期望利用混合的n/p基团来不同程度地调控磷光效率和寿命。但这种方案也是部分成功，部分失败。所以，阐明有机RTP材料的发光机制，构建普适的磷光分子设计规则是此领域面临的一项巨大挑战。

清华大学帅志刚教授和中科院化学所彭谦副研究员等人提出了一对分子描述符来表征磷光效率和寿命。由羰基和π-共轭片段组成的典型RTP体系，其激发态可以视为n→π*跃迁（α）和π→π*跃迁（β）两组分的组合，即α + β = 1。他们基于光致磷光的基本光物理过程，特别是单线态与三线态相互转化所遵循的El-Sayed规则，引入了分子描述符γ和β，其数值的大小与分子单/三线态激发态的（n，π*）和（π，π*）跃迁成分有关。结合量子力学/分子力学（QM/MM）方法，他们揭示了分子描述符（γ，β）与磷光效率和寿命以及旋轨耦合之间的关系。他们提出，大的γ和β值有利于有机材料中强的、长寿命的RTP。这些分子设计原则，已被实验所证实和报道。该研究发表于Journal of the American Chemical Society，题为“Efficient and Long-lived Room Temperature Organic Phosphorescence: Theoretical Descriptors for Molecular Designs”。第一作者为南京工业大学的马会利副研究员。

该项研究提出了一对简单的分子描述符（γ，β）来有效评估有机RTP材料的磷光效率和寿命。通常，磷光效率和余辉时间之间相互矛盾，即，长寿命意味着缓慢的激发态衰减速率，效率就低。然而，研究人员发现，可以通过分子设计，独立优化这两个参数，来解决这一国际难题。他们基于产生磷光的激发态转化和衰减过程及El-Sayed规则，提出：简单的分子描述符（γ，β）可以有效表征有机材料的RTP。他们使用QM/MM方法，选择诸多不同类型的有机RTP材料分子，进行多个低激发态性质和旋轨耦合系数的大量计算，并将这些与实验磷光效率和寿命相关联。然后，给出分子描述符（γ，β）与磷光效率和寿命之间的依存关系。正如预期，理性设计含有n/π-基团的有机化合物中，增大γ和β值会使得有机RTP分子同时兼具高效率和长寿命。

文献链接：Efficient and Long-lived Room Temperature Organic Phosphorescence: Theoretical Descriptors for Molecular Designs(Journal of the American Chemical Society 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b11224)