新型蒽衍生物中助色效应对热激活延迟荧光(TADF)影响的理论研究

本研究针对OLED技术发展中效率瓶颈问题，通过DFT和TD-DFT技术系统研究了四种新型蒽衍生物(Cy-Anth-1/2和Benzo4-Anth-1/2)的热激活延迟荧光(TADF)特性。研究发现含苯并呋喃[2,3-b]吡啶基团的Benzo4-Anth-1具有最佳TADF性能，其S1-T2能隙仅0.0635 eV，为开发高效有机发光材料提供了重要理论依据。

　　

在有机发光二极管(OLED)技术快速发展的今天，如何突破器件效率瓶颈始终是研究者面临的重大挑战。传统荧光材料受限于25%的内部量子效率(IQE)，而磷光材料虽可实现100%IQE却依赖昂贵的贵金属配合物。热激活延迟荧光(TADF)材料因其能通过反向系间窜越(RISC)过程同时利用单线态和三线态激子，成为新一代纯有机发光材料的研发热点。然而，如何通过分子设计实现理想的S₁-T₁能隙(<100 meV)仍是重大挑战。

沙特阿拉伯伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学(Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, IMSIU)的Sharif Abu Alrub等研究人员选择具有刚性π共轭结构的蒽衍生物为研究对象，系统研究了助色效应对TADF性能的影响机制。通过理论计算与实验相结合，揭示了分子轨道空间分离程度与TADF效率的关键关联，相关成果发表在《BMC Chemistry》上。

研究主要采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)计算方法，在B3LYP/6-311G++基组水平上优化分子结构并计算电子性质。通过CAM-B3LYP泛函计算紫外-可见光谱，分析HOMO-LUMO能隙和电子跃迁特性。结合分子静电势(MEP)和态密度(DOS)分析，系统评估了四种蒽衍生物的TADF性能。

电子激发光谱分析

TD-DFT计算显示，Benzo4-Anth-1在483.98 nm处出现最大吸收峰，其S₁-T₂能隙(-0.0635 eV)显著小于T₂-T₁能隙(0.926 eV)，表明该化合物具有最优的TADF特性。所有化合物的磷光计算显示振子强度(f)恒为0，证实其荧光机制为TADF而非磷光。

量子化学参数与分子轨道分析

Benzo4-Anth-1表现出最大的HOMO-LUMO能隙(3.13 eV)和化学硬度(1.57)，表明其较高的化学稳定性。分子轨道分布显示，其给体(二苯胺)和受体(苯并呋喃吡啶)基团实现了理想的轨道空间分离，这是实现高效RISC的关键结构特征。

分子静电势与态密度分析

MEP分析证实电子云在给受体基团间的明显分离，DOS谱显示Benzo4-Anth-1具有5.52 eV的显著能隙，这些特征共同促使其成为最优的TADF候选材料。

热力学分析

温度升高(50-500 K)导致所有化合物的热容(C_V、C_P)、内能(U)、焓(H)、熵(S)增加，而吉布斯自由能(G)降低，这种一致的 thermodynamic 行为为材料的热稳定性提供了保障。

TADF机制解析

研究建立了完整的TADF作用机制模型：当ΔE_S1-T2<>_T2-T1时，系统可通过热激活实现T₁→S₁的反向系间窜越，产生延迟荧光。Benzo4-Anth-1的ΔE_S1-T2(-0.0635 eV)远小于ΔE_T2-T1(0.926 eV)，完美满足TADF材料的设计要求。

这项研究通过系统的理论计算和结构-性能关系分析，不仅证实了苯并呋喃[2,3-b]吡啶基团修饰的蒽衍生物作为高效TADF材料的巨大潜力，更为分子设计提供了重要指导原则：给受体基团的空间分离是实现小ΔE_ST的关键，而适当的能隙调控可显著提升RISC效率。这些发现对开发新一代高性能纯有机发光材料具有重要理论意义和应用价值。