钾掺杂BACN分子的DFT研究：面向第五代蓝光OLED与抗菌光源的新型发射体设计

本研究通过DFT/TD-DFT方法探究钾掺杂对BACN分子电子结构与光物理特性的调控作用。研究发现单/双钾掺杂（M1/M2）可将带隙从3.70 eV降至2.34 eV，显著提升非线性光学响应（β值提高8-9倍），并实现S1 /T1 能级反转（ΔEST =-0.66 eV）。M1的415 nm蓝光发射（CIE 0.20,0.18）适用于第五代OLED，M2的可见光发射兼具抗菌与太阳能吸收潜力，为多功能有机光电材料设计提供新思路。

　　

在有机发光二极管（OLED）技术迭代的浪潮中，科学家们始终面临两大核心挑战：如何突破传统荧光材料25%的量子效率极限，以及如何实现高效稳定的蓝光发射。从第一代荧光材料到第四代超荧光（HF）体系，尽管通过引入重金属磷光体或热激活延迟荧光（TADF）机制提升了效率，但成本高昂、色纯度下降和三重态激子湮灭等问题依然制约着发展。更令人振奋的是第五代OLED候选材料——具有单重态-三重态能级反转（IST）特性的分子，其突破性的能级排列可实现快速放热型反向系间窜越（RISC），但这类材料目前仅局限在少数特殊分子体系。

正是在这样的背景下，研究人员聚焦于一种名为12,12-二甲基-7-苯基-7,12-二氢苯并[a]吖啶-3-甲腈（BACN）的荧光发射体。这种由Xu Qiu团队于2021年合成的分子虽具有3.70 eV的宽带隙，但其紫外发射特性限制了照明应用。受Noudem等人关于钾掺杂可调控有机分子能级的启发，研究团队采用密度泛函理论（DFT）与时间依赖DFT（TD-DFT）方法，系统研究了单钾（M1）和双钾（M2）掺杂对BACN性能的改造作用。

研究主要运用B3LYP和ωB97XD两种泛函结合6-311 G(d,p)基组进行结构优化与性质计算。通过分析电子结构、非线性光学响应、紫外-可见吸收/发射光谱等参数，结合激发态能级排布预测，全面评估了掺杂体系的性能提升机制。

优化结构与稳定性
掺杂后的M1和M2保持原始骨架的共轭体系，钾原子主要与苯环和氮原子产生电荷转移相互作用。分子动力学模拟显示，两种掺杂结构在300K下均能保持稳定构型，为实际应用提供结构基础。

电子与电荷传输特性
钾掺杂显著降低了BACN的能带间隙：M1带隙降至2.97 eV，M2进一步降至2.34 eV。这种变化源于钾原子提供的电子填充LUMO轨道，使得电子迁移率提升2个数量级，空穴迁移率提升1个数量级。特别值得注意的是，M2的电子重组能（λ_e
）仅为0.37 eV，远低于M0的0.82 eV，表明其更适合作n型半导体材料。

非线性光学性能
第一超极化率（β）计算显示，M1和M2的β值分别达到M0的8倍和9倍。这种显著增强源于掺杂诱导的分子内电荷转移（ICT）效应，其中M2的偶极矩变化幅度（Δμ=12.47 D）尤为突出，使其成为优异的非线性光学材料候选。

光物理特性突破
最引人注目的发现是M1表现出单重态-三重态能级反转（ΔE_ST
=-0.66 eV），这是常规DFT方法罕见预测到的现象。这种IST特性使M1的RISC速率比传统TADF材料快3个数量级，同时其415.44 nm的蓝光发射（CIE 0.20,0.18）满足第五代OLED对窄谱带深蓝光的需求。相比之下，M2在413 nm（吸收）和400 nm（发射）的可见光特性，使其兼具第一代OLED抗菌光源和有机太阳能电池（OSC）光捕获材料的双重功能。

这项发表于《Synthetic Metals》的研究通过理论计算揭示了钾掺杂对BACN分子的多维度改造能力：在保持结构稳定性的前提下，同时实现带隙调控、电荷传输增强、非线性光学响应提升和激发态能级反转。其中M1的IST特性与蓝光发射的组合为第五代OLED提供了不含贵金属的设计方案，而M2的多功能特性则展现出"一材多用"的应用潜力。该工作不仅拓展了IST材料的分子设计库，更为有机光电材料的理性掺杂提供了重要理论指导。Pierre Ferdinand Bissi Nyandou等人的研究表明，通过精准的原子级掺杂策略，可以突破传统有机发光材料的性能边界，为下一代光电转换器件开辟新的设计思路。