热激子基TADF分子设计的理论探讨(Materials Advances 2022)

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近年来TADF过程的研究取得了诸多突破,但要进行更高效率和量子产率的TADF分子设计,还需要更多深入的理论机理上的研究。与传统(冷)TADF一样,基于热激子的TADF材料也可以有效地利用单重态和三重态激子,理论上产生100%的IQE。与冷TADF(从低激发T1到S1)不同,热TADF中的RISC过程发生在高激发三、单重激发态(Tm(m>1)与Sn(n>1))之间。设计满足热激子形成条件的材料,例如低三重态之间能隙足够大,而高激发单-三重态能级间隙足够小,仍然是相当困难的。 印度SRM大学化学系Jesni M Jacob、Mahesh Kumar Ravva近期的研究中,探索、分析了分子设计的基本概念,并通过密度泛函理论建立热TADF分子的结构-性质关系,提出了一种分子设计策略。作者设计了一系列新的热激子机制施主(D)-π-受体(A)型分子,探索了新设计分子的电子特性,以助于设计“热激子”通道OLED材料。由于苯恶嗪(PXZ)和咔唑(CZ)的给电子能力适中,因此选择它们作为给电子单元,而吡嗪单元上的吸电子基团包括H、F和CN被取代为受体单元,使用CN化的萘噻二唑(NZ)和蒽噻二唑(AZ)单元连接供体和受体,设计出十二个D-π-A框架分子。这项研究可以为具有多个热激子通道的有机材料的分子设计方法带来新的见解,从而更好地利用激子。参考文献 Theoretical Insights on Molecular Designing of Hot-Exciton based Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules, J. M. Jacob and M. K. Ravva, Mater. Adv., 2022, DOI: 10.1039/D2MA00039C

119Sn核磁共振化学位移计算的基准研究(Inorg. Chem. 2022)

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核磁共振(NMR)谱是阐明化学结构最重要的分析方法之一。然而对于某些原子核来说,可能的化学位移范围很大,相应的核磁共振测量往往很耗时。因此,利用稳健的量子化学方法进行可靠的化学位移预测具有广泛的意义。 为了评估用于预测119Sn NMR化学位移的常用方法和新量子化学方法的性能,最近一项研究提出了一个新的基准集,称为SnS51,包括50种含Sn化合物,其中Sn具有不同的键基序,分子大小从4到209个原子不等。共有51个119Sn NMR化学位移实验值,范围从2448到-2204 ppm,可作为计算方法评估的参考。 为了计算119Sn NMR位移,评估了15种密度泛函,将它们与三种不同相对论方法(标量X2C、ZORA和自旋轨道耦合ZORA)相结合,并基于CREST/CENSO算法生成的异构-旋转异构体集合,评估构象的柔性对化学位移预测的影响。此外还研究了119Sn NMR化学位移计算的结构依赖性,以及半经验量子力学(GFN2-xTB)或力场(GFN-FF)方法的适用性。为了进一步改善结果,作者研究了一种简单的线性标度方法。 研究表明,稳健的杂化泛函如PBE0,与TZP基组、COSMO溶剂化模型与自旋轨道耦合相对论哈密顿量相结合,总体平均绝对偏差良好,在100~ppm以下(另见NMR常见问题)。 参考 文献: J. B. Stückrath, T. Gasevic, M. Bursch, and S. Grimme, Benchmark Study on the Calculation of 119Sn NMR Chemical Shifts, Inorg. Chem. 2022, 61, 3903-3917

染料敏化太阳能电池的BCL方法:基础与应用(Appl. Sci. 2022)

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BCL是理解和预测染料及其在太阳能电池中效率的一个理论框架,最近的一篇论文全面介绍了这种方法:它基于一组方程,使用TDDFT获得染料敏化太阳能电池效率的整体效率指数(Global Efficiency Index,GEI);GEI通过三个因子乘积得到:可用注入能量(F1)、注入电荷量(F2)和再生效率(F3)。迄今为止获得的结果表明,与实验光转换效率(PCE)有良好的相关性。此外,该方法还提供了理论工具,使研究者能够理解电池的运行情况,以及优化电池的关键。 要点: 与实验结果匹配的很好所有计算使用AMS软件ADF模块完成,使用OPBE泛函、SAOP模型势提出了在锂太阳能电池领域的应用和改进颜料的开发运行BCL计算简明手册 参考文献: M. Barrera, I. Crivelli, B. Loed, The BCL Method for DSSC: Basis and Applications,  Appl. Sci. 12, 2358 (2022) 

甲烷在MoO3(010)表面催化脱氢的密度泛函理论研究(Comput. Theor. Chem. 2022)

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随着石油和天然气价格的波动以及新冠病毒在全世界爆发,将天然气转化为具有更高经济和战略重要性的增值化学品的需求和研究兴趣越来越强烈。此外,对氢燃料的需求不断增长,以及全球芳香族化合物和烯烃的短缺,都是甲烷转化的额外动力,甲烷的非氧化转化生产清洁氢燃料,被认为“未来燃料”。 最近Badran等人,利用AMS软件BAND模块,使用DFT计算甲烷在MoO3(010)表面两种不同超胞上的吸附,研究了甲烷在氧化钼(MoO3)表面的催化脱氢。研究发现,对于CH4的吸附,在Mo和O网格构成的光滑表面,比悬垂O原子构成的表面更有利,这与过去的认知有所不同。 甲烷在MoO3(010)表面的吸附位置 甲烷在MoO3上脱氢的反应机理 研究亮点: 在新的MoO3(010)超胞上吸附甲烷,用于甲烷转化研究非氧化条件下,甲烷在MoO3表面分解的反应机理该反应主要导致生成 · CH3、H2和乙烯第一次CH3-H键断裂的活化能低至66.4 kJ/mol 参考文献: I. Badran, N. Sahar, R. Amjad, M.S. Nashaat, N.Nassar, Density Functional Theory Study on the Catalytic Dehydrogenation of Methane on MoO3 (010) Surface, Comput. Theor. Chem. 1211: 113689 (2022)

利用ReaxFF模拟理解生物基复合材料(PNAS 2022)

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可持续复合材料正变得越来越受欢迎,尤其是从生物物质中开发新型可降解生物复合材料,是满足全球对可持续材料日益增长的需求的一条非常有希望的道路。Roumeli等人提出了一种从培养的植物细胞中制备自粘生物复合材料的新方法,将培养细胞进行冷压缩成型,以创建分层的生物复合材料,其性能(弹性模量和强度)与商品塑料相当,同时在土壤中100%可生物降解。 为了研究纤维联锁和分子间聚合物链相互作用在细胞粘附中的作用,作者使用AMS软件反应分子动力学模块ReaxFF中的CHON2017_weak_bb力场进行模拟。细胞壁采用纤维素、半纤维素、果胶和酚混合物作为模型体系,比例由化学分析确定;之后对模型体系进行压缩,并达到平衡。这项研究表明,邻近细胞壁外层的聚合物链在压缩时相互作用,并在彼此的结构中扩散,从而产生分子联锁。进一步在拉伸载荷下进行模拟测试时,发现这些生物复合材料中的纤维联锁,又出现了链展开(无缠结)和级联氢键断裂和重组。 a)拉伸测试时的能量的变化: 1,Esystem,2,Ebond,3,EH−bond,4,and Etors;b)MD模拟在拉伸载荷下样品变形的不同时间点的快照 参考文献:E. Roumeli, R. Hendrickx, L. Bonanomi, A. Vashisth, K. Rinaldi, C. Daraio, Biological matrix composites from cultured plant cells, Proceedings of the National Academy of Sciences 119.15 (2022)

NBO、Apple&P与Zacros & Zacros-post

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NBO 集成NBO6,并嵌于ADF模块中,协助ADF的计算与分析,详细参考: 计算QTAIM电荷、键径、临界点、NBO分析、NPA电荷、NLMO/NPA键级使用NBO、NLMO分析NMR化学位移、EFG贡献来源 Apple&P Apple&P是一个极化力场算法,可用于带电体系,如电解质(例如电池中的电荷迁移率)、离子液体类体系的分子动力学模拟。 目前胺、酰胺和酰亚胺还待完善,但锂盐、电池电解液和离子液体这种体系,已经可以很好的进行模拟。 案例参考:离子体系的分子动力学模拟 Zacros & Zacros-post 动力学蒙特卡洛(Kinetic Monte Carlo)模拟,参考案例: https://www.scm.com/doc/Tutorials/Kinetics/AMSkineticsZacrosZGB.html

铌、铝共掺杂的EuTiO3合金中增强的低场磁热效应(J. Mater. Sci. Technol. 2022)

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概述 低温大磁熵变材料在太空科学领域和氢气液化的应用中具有重要的应用价值,因此高效低温磁制冷材料及其相关问题研究,也就成为当前国际上凝聚态物理领域的热点课题之一。稀土Eu基钙钛矿氧化物EuTiO3因具有大磁矩和低磁相变温度,是一类性能优良的低温磁制冷材料。但是,EuTiO3基态是反铁磁,如果能够选择的合金元素掺杂改变其磁基态,则可在低驱动场下实现大磁熵效应。中科院理化所的沈俊教授课题组和南京大学王敦辉教授、陆海鸣副教授课题组合作,结合第一性原理和实验研究了在Ti位同时掺杂Nb和Al对EuTiO3体系电子结构和低场磁热性能的影响。该研究成果为优选高性能低温稀土磁制冷材料提供了新思路。 图1 三种不同Nb和Al掺杂量的Eu(Ti,Nb,Al)O3的总态密度和分波态密度图 研究亮点 通过第一性原理计算,作者发现Nb和Al的共掺使得晶格常数增加且反铁磁的EuTiO3转变为铁磁态。从图1所示的Eu(Ti,Nb,Al)O3体系的总态密度(TDOS)和分波态密度(PDOS)图可以看出,Nb和Al的掺杂引起的自旋极化导致自旋向上和自旋向下不完全对称,巡游的Ti的3d和Nb的4d能级横跨费米能级,发生了绝缘体—金属转变。从PDOS图可以看到,巡游的Ti的3d电子、Nb的4d电子和Al的3p电子都和局域的Eu的4f电子发生交互作用,产生RKKY作用。Nb和Al的掺杂引发的反铁磁-铁磁相变可用四阶扰动理论(fourth-order perturbation theory)来解释。磁相互作用由两个独立的部分组成:RKKY作用和Anderson超交换(前者具有金属特性而后者具有半导体特性)。EuTiO3的态密度图中费米能级处的态密度为0,没有RKKY作用,此时,通过无磁的Ti4+离子的Anderson超交换在EuTiO3中占主导地位,体系为反铁磁。当Nb和Al置换掺杂进来后,自旋极化和交换分裂出现并增加,同时费米能级也移向高能量处,使得Anderson超交换耦合减弱而RKKY作用增强并占主导地位,因此体系呈铁磁态。 图2 不同成分化合物2K时的M(H)曲线以及与其他化合物等温熵变和有效制冷能力的比较 作者发现EuTiO3的磁化强度在磁场低于1 T时线性增加并在2 T时饱和(左图),而三种不同成分的Eu(Ti,Nb,Al)O3在1 T时均达到饱和且饱和磁化强度均高于EuTiO3,这说明Nb和Al的掺杂不仅可以显著降低临界场还可以提高其低场磁化强度。右图是1 T磁场下不同体系等温熵变和有效制冷能力的比较。三种不同成分的Eu(Ti,Nb,Al)O3的等温熵变约为-15.1 J/kg·K,比EuTiO3高了近40%。此外,EuTi0.8125Nb0.125Al0.0625O3和EuTi0.75Nb0.125Al0.125O3的有效制冷能力分别达到了88.1和86.0 J/kg,不仅比EuTiO3高了近315%,也都比其他化合物体系的有效制冷能力高。 总结 本文利用AMS软件的BAND模块,进行了通过不同价态阳离子共掺杂改变EuTiO3电子结构和磁基态的研究。研究发现,Nb和Al共掺杂不仅诱发了EuTiO3的绝缘体—金属转变,还引发了反铁磁-铁磁相变。实验结果还表明,共掺杂样品在1T低磁场下的磁熵变都达到了15 J/kg·K,是EuTiO3的1.4倍;特别是EuTi0.8125Nb0.125Al0.0625O3的有效制冷能力达到了88 J/kg,是EuTiO3的3倍。该工作明确了元素掺杂的EuTiO3体系中磁交换作用机理,为液氦温区磁制冷提供了有竞争力的候选材料。 参考文献 Huicai Xie, Wenxia Su, Haiming Lu, Zhaojun Mo, Dunhui Wang, Hao Sun, Lu Tian, Xinqiang Gao, Zhenxing Li, Jun Shen, Enhanced low-field magnetocaloric effect in Nb and Al co-substituted EuTiO3 compounds, J. Mater. Sci. Technol., 118, 128, […]

专业材料与化学模拟平台 AMS2022 发布

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AMS包含全面、完善的计算模拟方法,在原子水平上对分子与团簇、聚合物、低维材料、框架结构材料、多孔材料、宏观流体提供丰富的性质模拟、预测工具。初学者友好的完善图形化操作,可以协助研究者顺利完成建模、计算、作业管理、结果分析、图谱展示。图形化操作界面,支持最新版本的Win、Linux、Mac系统 AMS主要包括分子与团簇第一性原理计算模块ADF,周期结构材料的第一性原理计算模块BAND,反应力场模块ReaxFF,溶解、萃取、蒸馏、共晶等流体热力学模拟模块COSMO-RS(通常需要ADF模块的协助,用于生成分子的coskf文件),工作流与工具集AdvanceWF模块,机器学习势与力场模块ForceField,半经验方法Mopac与DFTB,其中DFTB不仅包含原始dftb.org参数,还包括大量自建参数,覆盖了元素周期表大部分元素。 AMS2022在功能方面的改进 AMS整体算法 AMS提供多种算法驱动,例如分子动力学、巨正则系综蒙特卡洛、Force Bias蒙特卡洛、多尺度模拟、势能面扫描、振动分析等,这些算法,能够灵活调用不同计算模块。 PES Exploration:自动化反应通路搜索算法,使用户能够调用任何计算模块自动探索过渡态和局部能量最小值:过程搜索:找到局域能量最小点,以及它们之间的过渡态搜索初始结构附近的过渡状态Basin hopping寻找局域能量最小值在不同理论水平上,对过渡态和能量最小值点进行精细化计算团簇或表面上的结合位点的确定、可视化案例(使用ReaxFF演示)请点击PES Scan:扫描晶格尺寸、碎片态表面沉积分子动力模拟:用于ALD、CVD、刻蚀模拟,支持气体组分比例定制分子动力学计算均方位移、粘度轨迹回放:对其他轨迹文件,使用指定计算引擎重复其轨迹,并计算相关性质,通常用于比较势能面差异弹性墙壁(纳米反应器):将反应物束缚于纳米球壁内,常在ReaxFF外加电场时使用摩擦学特性(剪切应力):目前只支持命令行模式 ForceField模块 包含Machine Learning Potentials与经典力场GFN-FF、UFF、UFF4MOF、UFF4MOF-II、GAFF、Amber98、Tripos5.2 AdvanceWF模块 ChemTraYzer 2.0:由于ReaxFF自带ChemTraYzer仅适用于小分子化学反应的分析,SCM自行开发了ChemTraYzer 2.0,可用于小分子、大分子、聚合物、非均相等各种类型化学的分析,并能够提供基元反应方程式、反应级数、反应速率常数(采用实验测量单位),并能够对每个反应相关原子演化过程单独显示,以便分析反应轨迹。(详细使用效果请点击)ParAMS:用于训练DFTB参数、ReaxFF力场的图形化工具:将AMS中的计算结果添加到训练集中设定训练集每个样本的权重因子导入样本力场设定需要优化的参数使用CMA-ES优化力场交叉验证生成力场Microkinetics:在从试剂到最终产品的转化过程中,通常涉及许多中间基本反应​步骤。这些基本反应步骤具有各自不同的能垒和反应速率常数,它们的整合决定了整个系统的反应行为。通过微观动力学建模,对这样的系统进行研究,可以得到整体反应速率,以及限制整体反应速率的关键因素。包含如下功能:计算温度范围内的反应速率计算不同产物的选择性确定反应的反应级数和表观活化能计算所有反应步骤的速率控制程度处理均相和异相反应应用充分混合或活塞流反应器模拟程序升温脱附模拟同位素的开关ACE Reaction:自动生成反应网络(测试中)ReactMap:确定化学反应中反应物和产物之间的最佳原子映射OLED模拟工具:OLED器件的多尺度建模、气相沉积、计算薄膜中所有分子的电离势、电子亲和力和偶极矩等特性的分布、将数据传输到 Simbeyond 的Bumblebee代码,用于涉及您的材料的 OLED 设备模拟 ADF模块 极化力场:QM/FQ Quantum Mechanics/Fluctuating Charges非弛豫偶极矩激发态激发态间跃迁偶极矩快速激发光谱计算方法POLTDDFT:扩大到绝大多数元素仅特征值自洽 GW (evGW)、G3W2配体场密度泛函(LFDFT)新功能:ESR g-张量双峰,XMCDMP2考虑自旋轨道耦合 COSMO-RS模块 改进了对多物种流体热力学的处理,例如不同的质子化和解离状态、聚集(使用溶剂)、构象异构体COSMO-RS-PDHS参数:增加了计算带电体系所需的长程静电项(如下图所示) BAND模块 -D4色散修正泛函虚晶近似:允许某些原子位以一定比例掺杂费米面的图形化显示自旋轨道耦合DOS电子能量密度函数周期结构材料的结合能XPS APPLE&P 极化力场模拟,可用于带电体系,如电解质(例如电池中的电荷迁移率)、离子液体类体系的分子动力学模拟,案例参考:离子体系的分子动力学模拟 Zacros & Zacros-post模块 动力学蒙特卡洛模拟 Quantum ESPRESSO模块 更新到7.0版 免费试用 http://www.scm.com/free-trial

Advanced Workflows & Tools

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概述 Advanced Workflows & Tools包含很多流程化研究的高级工具,包括对反应分子动力学轨迹中的基元反应进行分析的ChemTrayzer、ChemTrayzer2.0,以及拟合DFTB参数与ReaxFF力场的ParAMS工具,微观动力学、沉积、OLED脚本工具与数据库、ACE Reaction等。 ChemTraYzer 小分子体系的基元反应分析: 生成基元反应列表基元反应速率(需要手动换算到实验单位)物种演化路径分析 ChemTraYzer 2.0 ChemTraYzer仅能用于小分子体系的反应,ChemTraYzer 2.0不仅适用于小分子体系,大分子乃至聚合物、固体表面等,均能正确分析,而且大分子内部断键、成键也能检测到轨迹文件较大时,ChemTraYzer 2.0分析效率大大提高ChemTraYzer 2.0支持用户自由指定时间范围进行分析,超大轨迹文件的分析处理更加灵活ChemTraYzer有时候存在无法分析出结果的情况,ChemTraYzer 2.0不再出现ChemTraYzer 2.0分析控制参数更加灵活有效以SMILES格式列出反应方程式、反应的级数反应速率常数(统计平均值,最大值,最小值),与旧版的速率常数不同,新版的速率常数单位为cm3/(mol∗s)、cm2/(mol2∗s)等,与实验单位一致,不再需要用户复杂换算如上图所示,上方表格列出所有反应方程式,下方表格列出该方程式对应的每个反应事件,用户点击具体某个反应事件,Movie窗口将只呈现该反应事件中相关原子的动态过程,时间轴自动调整到合适位置,便于用户更清晰的观察、检验结果支持用户导出反应方程式列表的*.csv表格文件 使用教程:https://www.scm.com/doc.2022/Tutorials/MolecularDynamicsAndMonteCarlo/ChemTrayzer2.html Microkinetics 在从试剂到最终产品的转化过程中,通常涉及许多较小的中间步骤。这些基本反应步骤具有各自不同的能垒和反应速率常数,它们的整合决定了整个系统的反应行为。通过微观动力学建模,对这样的系统进行研究,可以得到整体反应速率,以及限制整体反应速率的关键因素。包含如下功能: 计算温度范围内的反应速率计算不同产物的选择性确定反应的反应级数和表观活化能计算所有反应步骤的速率控制程度处理均相和异相反应应用充分混合或活塞流反应器模拟程序升温脱附模拟同位素开关 ParAMS ParAMS是用于DFTB参数拟合、ReaxFF力场优化的一个集成化的成熟的图形化操作工具,是一个包括如下功能: 将AMS中的计算结果添加到训练集中设定训练集每个样本的权重因子导入样本力场设定需要优化的参数使用CMA-ES优化力场交叉验证生成力场 注意,拟合DFTB或ReaxFF参数时,一般需要搭配ADF模块生成训练集。 其他 ACE Reaction:自动生成反应网络(测试中)ReactMap:确定化学反应中反应物和产物之间的最佳原子映射OLED模拟工具:OLED器件的多尺度建模、气相沉积、计算薄膜中所有分子的电离势、电子亲和力和偶极矩等特性的分布、将数据传输到 Simbeyond 的Bumblebee代码,用于涉及您的材料的 OLED 设备模拟

AMS在过渡金属与重元素的应用

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概述 过渡金属是元素周期表中最广泛的存在,在化学、电子、稀土、制造、高能物理等各个领域都有他们的身影。过渡元素中d、f电子的复杂性,导致过渡金属体系的电子态也与主族元素有截然不同的特点。能级简并,让基态电子占据,甚至分子结构的几何对称性的确定,也变得较为复杂,更不用说激发态、发光的特性。 过渡金属与重元素的计算精确性,变得尤为重要,相对论效应扮演着非常重要的角色。相对论对计算的影响,一般主要体现在两个方面: 对能级、电子云分布的影响自旋轨道耦合 对较轻的元素例如C、H、O、N等而言,相对论对能级的影响基本上可以忽略不计,因此在这类元素体系的计算中,相对论效应往往呗忽略。但对重元素如汞、金,甚至超重元素铀等,相对论效应会显著影响能级分布、键长。 自旋轨道耦合,对能量的影响非常微弱,但在发光材料机理方面却起着决定性的作用。倘若没有自旋轨道耦合,磷光这种现象根本不会存在。在相对论理论方面,AMS集成了应用最为广泛的ZORA方法,以及最先进的X2C方法。 应用 配合物成键分析 配合物结构精确计算键能分解分析通过化学价自然轨道分析,了解共价键形成过程中,金属元素各轨道如何参与成键金属配体电荷转移金属d、f轨道在配合物中的分裂情况 光吸收与发光 紫外可见吸收谱单重态、三重态激发态结构计算系间窜跃Franck-Condon因子、Huang-Rhys因子振动分辨的磷光发射谱X射线发射谱(XES)内层电子的激发周期结构材料的结合能X射线近边吸收光谱(XANES)、扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS) 案例 配合物/氢键/范德华作用/化学键分析/分子间相互作用重元素/团簇

 
  • 热激子基TADF分子设计的理论探讨(Materials Advances 2022)近年来TADF过程的研究取得了诸多突破,但要进行更高效率和量子产率的TADF分子设计,还需要更多深入的理论机理上的研究。与传统(冷)TADF一样,基于热激子的TADF材料也可以有效地利用单重态和三重态激子,理论上产生100%的IQE。与冷TADF(从低激发T1到S1)不同,热TADF中的RISC过程发生在高激发三、单重激发态(Tm(m>1)与Sn(n>1))之间。设计满足热激子形成条件的材料,例如低三重态之间能隙足够大,而高激发单-三重态能级间隙足够小,仍然是相当困难的。 印度SRM大学化学系Jesni M Jacob、Mahesh Kumar Ravva近期的研究中,探索、分析了分子设计的基本概念,并通过密度泛函理论建立热TADF分子的结构-性质关系,提出了一种分子设计策略。作者设计了一系列新的热激子机制施主(D)-π-受体(A)型分子,探索了新设计分子的电子特性,以助于设计“热激子”通道OLED材料。由于苯恶嗪(PXZ)和咔唑(CZ)的给电子能力适中,因此选择它们作为给电子单元,而吡嗪单元上的吸电子基团包括H、F和CN被取代为受体单元,使用CN化的萘噻二唑(NZ)和蒽噻二唑(AZ)单元连接供体和受体,设计出十二个D-π-A框架分子。这项研究可以为具有多个热激子通道的有机材料的分子设计方法带来新的见解,从而更好地利用激子。参考文献 Theoretical Insights on Molecular [...]
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