通过热激活延迟荧光优化OLED效率：对BN-苝类化合物构象异构体的计算研究

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Optimizing OLED Efficiency through Thermally Activated Delayed Fluorescence: Computational Insights into Position Isomers of BN-Perylenes

本研究通过量子化学计算系统探讨BN-Perylene位置异构体对OLED性能的影响。发现嵌入B-N单元的位置不同会改变分子轨道拓扑和ΔEST值，其中桥头湾位（6a/6b）和 peri位（3a）的异构体能有效缩小能隙至0.2eV以下，显著提升RISC效率。分子极性和π共轭的调控使这些异构体实现高荧光量子效率（达26%）和稳定发射，为设计高效TADF OLED提供了新策略。

　　在有机电致发光二极管（OLED）技术不断发展的背景下，研究人员正致力于探索更高效的发光材料。传统的OLEDs虽然在某些方面取得了进展，但它们的性能仍然受限于多种因素，包括能量转换效率、稳定性以及颜色纯度。为了突破这些限制，科学家们开始关注一种新的分子设计策略——通过引入硼（B）和氮（N）原子，对多环芳香烃（PAHs）进行改性，从而实现对激发态动力学的精准调控。其中，BN-芘的同分异构体被认为是这一领域的重大突破，因为它们能够通过改变分子结构，显著优化OLED的性能指标。

多环芳香烃因其刚性的π共轭结构和卓越的光电性能而备受关注，这些特性使其成为发光材料中的关键组成部分，特别是在有机电子设备如OLEDs中。然而，随着对高效率和可持续性要求的提升，传统PAHs在某些方面的局限性逐渐显现。例如，虽然某些异原子如硼、氮、氧和硫的引入能够有效调控电子分布、前线轨道能量和电荷传输特性，但其在提升OLED性能方面仍存在挑战。特别是在需要高纯度蓝色光发射的应用中，传统材料的三重态能量封顶能力不足，导致发光效率难以达到理论极限。

为了克服这些障碍，研究者们将注意力转向了热激活延迟荧光（TADF）材料。这类材料的一个显著优势是其能够通过降低三重态-单重态能量差（ΔE_ST）来实现高效的单重态激子回收，从而提升发光效率。当ΔE_ST低于0.2 eV时，反系间窜越（RISC）过程能够以高效率发生，这使得TADF材料无需依赖稀缺的重金属元素，同时还能实现高效率和长寿命的发光。然而，TADF材料的量子效率仍然低于理论预测值，这表明需要进一步的优化来提高其商业价值和环境友好性。

BN-芘的同分异构体在这一领域展现出巨大的潜力。通过在芘骨架的不同位置引入等电子的B-N单元，研究者们能够调整分子的轨道拓扑结构，增强分子极性，并实现对激子的空间限制。这种结构的调整不仅影响了ΔE_ST的值，还直接调控了激发态的能级和发光行为。通过系统地分析这些同分异构体的分子结构，研究者们发现，不同的B-N取代模式对电子离域、激子限制和轨道定位产生了显著影响。例如，某些化合物中的B-N单元靠近，使得电子离域程度适中；而另一些化合物中的B-N单元分离，增强了激子的限制效果；还有部分化合物中的B-N单元完全孤立，使得前线轨道高度局部化，同时降低了最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能量差。

这些分子结构的优化不仅提升了OLED的发光效率，还增强了其长期稳定性和颜色纯度。此外，BN-芘的同分异构体在溶液加工性和热稳定性方面也表现出优势，使其成为一种理想的材料选择。研究者们还发现，通过在特定的桥头湾（6a/6b）和周位（3a, 9a）位置引入B-N单元，能够有效调控共轭长度、分子平面性和电荷转移路径。这些变化不仅影响了材料的光电性能，还对OLED的发光效率产生了积极影响。

在理论研究方面，研究者们利用密度泛函理论（DFT）和时间依赖DFT（TD-DFT）方法对BN-芘的同分异构体进行了系统分析。通过计算这些分子的前线轨道、全局反应性描述符、电离和电子亲和力曲线以及与界面层的能量对齐情况，研究者们能够深入了解其在OLED中的适用性。此外，研究者们还采用了核独立化学位移（NICS）分析，以评估BN掺杂对芳香性的影响。这些理论分析为优化材料的光电性能提供了重要的指导。

从实际应用的角度来看，BN-芘的同分异构体不仅能够提升OLED的发光效率，还能够在某些特定条件下实现更高效的电荷转移和激子管理。通过引入B-N单元，研究者们能够调控分子的极性和轨道分布，从而实现对ΔE_ST值的精确控制。这种结构的调整使得BN-芘成为一种理想的TADF基质，能够用于设计高效率的发光层。此外，BN-芘的同分异构体在某些情况下还能表现出独特的光电特性，例如增强的光致发光量子产率和可调的带隙特性，使其在OLED和其他光电子设备中具有广泛的应用前景。

在这一研究过程中，研究人员不仅关注材料的结构设计，还注重其合成方法和加工性能。通过在特定位置引入B-N单元，研究者们能够实现对分子结构的精细调控，从而提升材料的性能指标。例如，某些同分异构体的合成方法能够实现更高的产率和更好的稳定性，这使得它们在实际应用中更具优势。此外，这些同分异构体在某些情况下还能表现出独特的电荷转移行为，例如增强的电荷分离能力和减少的电荷复合概率，这进一步提升了它们的发光效率。

在合成和表征方面，研究人员采用了多种先进的技术手段，包括高分辨率光谱分析和高精度的计算模拟。这些技术手段使得研究者们能够深入理解BN-芘的光电特性，并优化其结构设计。通过这些研究，科学家们发现，BN-芘的同分异构体不仅能够提升OLED的发光效率，还能够实现更长的使用寿命和更高的颜色纯度。此外，这些同分异构体在某些情况下还能表现出独特的电荷转移行为，例如增强的电荷分离能力和减少的电荷复合概率，这进一步提升了它们的发光效率。

在这一研究中，研究人员还关注了材料的环境影响和可持续性。通过引入B-N单元，研究者们能够实现对材料的精细调控，从而减少对稀缺资源的依赖，同时提升材料的环境友好性。此外，这些同分异构体在某些情况下还能表现出独特的光电特性，例如增强的光致发光量子产率和可调的带隙特性，使其在OLED和其他光电子设备中具有广泛的应用前景。

综上所述，BN-芘的同分异构体在OLED技术中展现出巨大的潜力。通过改变分子结构，研究者们能够实现对激发态动力学的精准调控，从而提升材料的性能指标。这些分子的优化不仅有助于提高OLED的发光效率，还能够增强其长期稳定性和颜色纯度。此外，BN-芘的同分异构体在某些情况下还能表现出独特的光电特性，例如增强的电荷分离能力和减少的电荷复合概率，这进一步提升了它们的发光效率。通过这些研究，科学家们为未来的OLED材料设计提供了重要的理论支持和实践指导。