量子化學(xué)在電致發(fā)光材料分析中的應(yīng)用

郭云超+金靚婕+孫曉偉

【摘 要】利用量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)方法可以研究電致發(fā)光材料的電子機(jī)構(gòu)、幾何構(gòu)型、光譜性質(zhì)等等。可為電致發(fā)光材料的合成和選用提供諸多指導(dǎo)性建議。本文通過對(duì)最近量子化學(xué)在電致發(fā)光材料合成和分析的應(yīng)用類文章進(jìn)行了歸納總結(jié)，粗略地說(shuō)明了量子化學(xué)在電致發(fā)光材料合成中所起的作用。

【關(guān)鍵詞】量子化學(xué)；電致發(fā)光材料；合成

0 引言

有機(jī)及配合物電致發(fā)光（EL）和非線性光學(xué)材料在高新技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，受到人們的關(guān)注并得到積極的研究[1-3]。近30年來(lái)，隨著量子化學(xué)計(jì)算方法和分子模擬技術(shù)、以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻影響。利用量子化學(xué)計(jì)算方法方法研究EL材料的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)，以全自由度優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，計(jì)算化合物的電子光譜。對(duì)研究此類材料的性質(zhì)及合成有指導(dǎo)性意義計(jì)算結(jié)果是實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。本文主要介紹量子化學(xué)在EL材料研究中的應(yīng)用及進(jìn)展。

1 量子化學(xué)研究EL材料的方法及原理

就量子化學(xué)的幾種計(jì)算方法來(lái)看，從頭算法雖然有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝С郑艿玫捷^好的計(jì)算結(jié)果，但是當(dāng)遇到諸如酶、聚合物、蛋白質(zhì)等大分子體系時(shí)，計(jì)算很耗時(shí)，其計(jì)算代價(jià)無(wú)法承受[4]。為了在計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度上找到一個(gè)平衡點(diǎn)。采用量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)方法AMI進(jìn)行了理論計(jì)算包括構(gòu)型優(yōu)化、振動(dòng)分析電子光譜計(jì)算。科學(xué)家們以從頭算法為基礎(chǔ)，忽略一些計(jì)算量極大，但是對(duì)結(jié)果影響極小的積分，或者引用一些來(lái)自實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，從而近似求解薛定諤方程，就誕生了半經(jīng)驗(yàn)算法。如：AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO 等[5，6]。目前，對(duì)多類EL材料的研究大部分都是基于量子化學(xué)的半經(jīng)驗(yàn)方法。

2 光譜性能的量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

EL材料的發(fā)光顏色與材料的熒光光譜有密切的關(guān)系，熒光即是電子由第一激發(fā)單重態(tài)躍遷回基態(tài)所產(chǎn)生的降級(jí)輻射。目前對(duì)光譜性能的量子化學(xué)計(jì)算多半基于量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)方法PM3和AM1，先對(duì)化合物的幾何構(gòu)型進(jìn)行了全參數(shù)優(yōu)化， 得到其穩(wěn)定構(gòu)型，再進(jìn)行振動(dòng)分析，在此基礎(chǔ)上利用單激發(fā)態(tài)組態(tài)相互作用方法（CIS）計(jì)算它們的電子光譜。

比如蘇宇，廖顯威[7]等人采用量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)方法PM3對(duì)三種黃酮類化合物的熒光光譜進(jìn)行了理論研究。對(duì)各化合物優(yōu)化后的構(gòu)型作了振動(dòng)分析，均未出現(xiàn)虛頻率。在此基礎(chǔ)上，采用單激發(fā)組態(tài)相互作用方法（CIS） 計(jì)算熒光光譜，所有計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。廖顯威，李來(lái)才[8]采用單激發(fā)組態(tài)相互作用（CIS）方法，分別計(jì)算了4 種稠環(huán)芳烴的電子光譜，選了801個(gè)組態(tài)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。他們還對(duì)幾種含氮芳烴化合物有機(jī)EL材料，對(duì)FL-4、 FL-7、FL-10 和FL-12的光譜進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本相符合。薛照明，張宣軍[9]等用PM3/SCI方法計(jì)算了三個(gè)分子的電子吸收光譜，測(cè)定了三個(gè)分子的電子吸收光譜和熒光光譜（DMF溶液）。結(jié)果表明理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)吻合。高洪澤，石紹慶等利用量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)AM1及INDO/SCI方法研究了B與8-羥基喹啉的螯合（LiBq4）的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)，計(jì)算得到基態(tài)到各激發(fā)態(tài)的垂直躍遷能和振子強(qiáng)度，獲得電子光譜。分析出由于配體中苯酚環(huán)、吡啶環(huán)對(duì)不同前線軌道的貢獻(xiàn)不一樣，所以在吡啶環(huán)和苯酚環(huán)上引入取代基會(huì)對(duì)光譜發(fā)生影響，為分子設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

3 量子化學(xué)對(duì)EL材料結(jié)構(gòu)的分析

結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系一直是量子化學(xué)的主要研究領(lǐng)域，它涉及的范圍非常廣泛，從無(wú)機(jī)小分子、有機(jī)分子到高聚物和生物大分子，從人為設(shè)計(jì)的理想模型分子到實(shí)用的藥物分子和材料分子等[10]。通過結(jié)構(gòu)與性能的研究，人們可以逐類地對(duì)一些化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)一的解釋，得出一般性的規(guī)律，進(jìn)而預(yù)言一新的化學(xué)事實(shí)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。目前國(guó)際上關(guān)心的課題主要有：重要新型無(wú)機(jī)分子、有機(jī)分子和原子簇化合物的化學(xué)鍵本質(zhì)的研究；重金屬、稀土元素化合物的成鍵規(guī)律；（半）導(dǎo)體材料、磁性材料、光電材料等。

高洪澤，石紹慶[11]等通過量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)方法研究了藍(lán)色有機(jī)薄膜電致發(fā)光材料LiBq4 電子結(jié)構(gòu)，國(guó)外研究人員在這方面已做了不少努力，合成了很多類型的藍(lán)色發(fā)光材料并且制備了相關(guān)器件[12-15]，但多數(shù)都沒有獲得突出的結(jié)果。由于LiBq4體系相對(duì)分子質(zhì)量較大，迄今未見有對(duì)其進(jìn)行理論研究的報(bào)道.他們通過計(jì)算結(jié)果表明，各個(gè)喹啉環(huán)基本保持各自的近平面共軛結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到的穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)和的主要鍵長(zhǎng)。為探討其發(fā)光機(jī)理及B和Li 元素在其中所起的作用及M —N鍵的共價(jià)性、離子性對(duì)發(fā)光的影響，為進(jìn)一步探索合成與設(shè)計(jì)具有優(yōu)良性能的藍(lán)色發(fā)光材料提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

4 振動(dòng)分析

判斷分子是否處于穩(wěn)定構(gòu)型的一個(gè)重要方法是看它的振動(dòng)光譜是否出現(xiàn)虛頻率[16]。劉芳玲，張紅梅[17]等對(duì)萘及其鹵代化合物在B3LYP /6-31G水平下優(yōu)化了4種化合物的幾何構(gòu)型， 在振動(dòng)分析中，其振動(dòng)光譜均未出現(xiàn)虛頻率， 說(shuō)明構(gòu)型優(yōu)化基本合理性。

5 前景與展望

近些年來(lái)雖然量子化學(xué)在研究和分析EL材料方面，解釋了一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示了不少前期未被理解的機(jī)理，甚至預(yù)期了一些結(jié)構(gòu)性能關(guān)系。但量子化學(xué)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些。隨著量子化學(xué)理論不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸拓寬，研究方法的不斷創(chuàng)新，今后將對(duì)電致發(fā)光材料的合成和選擇提供更好的理論依據(jù)和指導(dǎo)。將量子化學(xué)與EL材料的性質(zhì)分析結(jié)合起來(lái)，才能更好的選擇EL材料的構(gòu)成，合成性能更好的EL材料。

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[責(zé)任編輯：湯靜]