文献赏析｜吉林大学杨兵教授团队折叠诱导自旋轨道耦合增强——实现高效率纯有机室温磷光的新策略

吉林大学杨兵教授团队

01 引言

近年来，得益于在显示、传感及生物医学等领域的巨大应用潜力，纯有机室温磷光材料受到了日益广泛的关注。通常情况下，为实现高效率纯有机室温磷光，“开源”和“节流”两种策略被使用：“开源”即提高系间窜越速率获得大量的三线态激子，“节流”即抑制非辐射跃迁速率使三线态激子有效辐射。在设计纯有机室温磷光材料时，“开源”比“节流”更有挑战性。一般情况下，增加单线态和三线态之间的自旋轨道耦合（SOC）可以提高系间窜越速率，但是由于缺乏有效的重原子（如金属原子）诱导效应，纯有机材料较小的SOC导致系间窜越能力较差，这在很大程度上限制了纯有机室温磷光材料的开发与应用。因此，如何提高SOC成为设计高性能纯有机室温磷光材料不可回避的关键性问题。

02 成果简介

近期，吉林大学杨兵教授团队提出一种新颖的折叠诱导自旋轨道耦合（SOC）增强的机制，通过选用噻蒽（TA）的类似物吩恶噻（PX）和二噁英（DX）作为基础的分子模型进行一系列的对比研究，发现折叠的分子构型可以大幅度提高SOC。为了定量分析折叠诱导SOC增强的机制，作者利用BDF(Beijing Density Functional)量子化学计算软件程序理论上计算了自旋轨道耦合（SOC）矩阵元。

03 图文导读

一方面，从DX、PX到TA，分子的折叠二面角逐渐减小（或折叠程度逐渐增大），S1与T1的SOC逐渐增加，晶体和薄膜的磷光效率逐渐增加；另一方面，对于每个分子，当折叠角度从180°变化到100°时，S1与T1的SOC先增加后减小，在120°达到最大，并且折叠构型SOC数值可以达到平面构型SOC的2到3个数量级。理论计算表明依赖于像蝴蝶翅膀一样的折叠分子构型，中心轴S原子与O原子的pz轨道脱离于p–π共轭，形成了S1的pz→ px以及pz→ σC–C*跃迁特征，从而使S1的电子跃迁构型完全不同于T1的π–π*，增加了它们之间的SOC强度。

图1. TA, PX和DX的分子结构和构型。

图2. TA、PX和DX晶体中的分子构型和堆积模式。

图3. S1和T1之间的SOC常数与折叠二面角之间的变化趋势。

图4. S1激发态的电子跃迁特征（120°和180°）。

04 小结

这项工作利用基本的光物理信息以及相应的含时密度泛函理论（TD-DFT）系统地解释了折叠诱导SOC增强的机制，也利用一系列模型分子证实了这一理论的合理性，为设计高效率纯有机室温磷光材料提供了新思路。

2022年2月，该研究成果以“Folding-Induced Spin−Orbit Coupling Enhancementfor Efficient Pure Organic Room-Temperature Phosphorescence”为题发表在《Journal of Physical Chemistry Letters》上。该论文由杨兵教授团队完成，共同第一作者为吉林大学化学学院2020级博士研究生潘国翠和2021级博士研究生杨志强，通讯作者为杨兵教授和助理教授刘海超。论文工作的内容被选为《Journal of Physical Chemistry Letters》期刊的Supplementary Cover。本研究得到了国家自然科学基金（51873077、91833304、52073117和52103209）以及国家重点研发项目（2020YFA0714603）的资助。

文献说明

文献信息：Pan G, Yang Z, Liu H, et al. Folding-Induced Spin–Orbit Coupling Enhancement for Efficient Pure Organic Room-Temperature Phosphorescence[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2022, 13(6): 1563-1570.

文章作者：Guocui Pan, Zhiqiang Yang, Haichao Liu*, Yating Wen, Xiangyu Zhang, Yue Shen, Changjiang Zhou, Shi-Tong Zhang, and Bing Yang*

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