电荷转移态中的自旋轨道耦合（Molecules 2022）

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摘要 阿姆斯特丹大学的研究人员研究了电子供-受体分子的扭曲对性质的影响。对于包含芘受体和二甲基苯胺供体的电子供体-受体体系，确定了自旋轨道耦合矩阵元（SOCME）、电荷分离的电子耦合，对构象的依赖性。 对热激活延迟荧光（TADF）、光动力疗法、三重态发光二极管而言，自旋轨道耦合效应起着决定性影响。作者在动力学和能量角度，讨论了旋-轨电荷转移系间窜跃 (SOCT-ISC) 机制，包括经典Marcus电子转移理论中，电荷分离、电荷复合的相关参数。自旋轨道耦合，在电荷复合到三重态过程中起着重要作用，可以通过TD-DFT 进行探索，同时TD-DFT也为理解和预测 SOCT-ISC 机制提供了有效途径。该研究用丙酮和 4-硫代胸腺嘧啶的自旋轨道耦合矩阵元作为基准。 关于这项工作的三个报告的视频资料，可以辅助读者理解如何在自己的工作中使用类似的方法： 芘-二甲基苯胺正交电荷转移态的自旋-轨道耦合_René Williams使用计算化学来描述和理解SOCT-ISC机制_Davita van Raamsdonk正交电荷转移态中的自旋轨道耦合_Shivan Bissesar 所有 ADF 输入文件（链接）。 参考文献 Bissesar, D. M. E. van Raamsdonk, D. J. Gibbons, R. M. Williams, Spin Orbit Coupling in Orthogonal Charge Transfer States: (TD-)DFT of Pyrene—Dimethylaniline. Molecules 2022, 27 (3), 891.

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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

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AMS在有机发光显示材料中的应用

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概述 由于智能手机电子屏等巨大市场规模，OLED材料和有机电子学是一个非常活跃的研究和工业发展领域。有机发光显示材料的研究是一个综合性的系统工程问题，有分子层面的问题，也有工艺等等层面的问题。在分子层面，电子的激发形成激子、载流子的迁移、分子激发态的内部转换以及发光过程，目前已经有相当完善的理论研究方法和工具。 ADF模块具有一些独特的工具来模拟这些分子水平上的过程问题，如电荷传输、激子耦合和发光效率等。对优化有机电致发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）、光伏电池（PV和OPV）和染料敏化太阳能电池（DSSC）等有机电子器件中的材料性能而言，这些分子过程非常重要。 AMS提供的模型和工具 材料结构与电子结构 通过ZORA、X2C方法精确考虑相对论自旋轨道耦合效应 包含最新的色散修正泛函，以及高精度泛函，准确预测分子结构以及分子间作用 使用高精度STO/NO基，优化分子晶体结构 分子能级与轨道 带电场、溶剂环境的表面-分子相互作用 大体系高效激发态计算 单重激发态能量Sn 三重激发态能量Tn 自然跃迁轨道NTO ΔEST、重整能 激发态结构优化与频率计算 势能面最低交叉点MECP 磷光、荧光辐射跃迁寿命 聚集诱导发光 包括QMMM在内，DFT、半经验量子化学方法、力场的多尺度方法 考虑色散修正的分子晶体、团簇结构优化 多尺度方法TDDFT进行Sn、Tn激发态计算 多尺度方法的激发态振动频率计算 分子间载流子迁移速率、转移积分 激发态动力学 自旋轨道耦合矩阵元SOCME，ZORA、X2C方法更加精确、高效 Franck-Condon因子、Huang–Rhys因子，及其多尺度计算 分析转动、振动模式对Huang–Rhys因子、系间窜跃、内转换与发光的影响 （逆向）系间窜跃速率、内转换速率、辐射跃迁速率 发光量子产率PLQY、外部量子效率EQE AMS发展展望 2020年起，荷兰SCM公司与Simbeyond公司合作开发第一款完全集成的OLED多尺度仿真平台，结合两家荷兰公司在工业有机器件和原子级学术模拟中的优势，实现跨越分子到器件的工业研究， 目前已经开发出OLED材料数据库与流程化模拟脚本。(相关技术资料2022版) 其他参考资料： 有机电子学模拟讲义I 有机电子学模拟讲义II OLED相关墙报 有机电子学领域文章合集 特邀文集 中文教程库 立即试用AMS http://www.scm.com/free-trial 研究实例 实例1：无重元素高效持久室温磷光分子 Indranil Bhattacharjee, Shuzo Hirata Highly Efficient Persistent Room‐Temperature Phosphorescence from Heavy Atom‐Free […]

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无重元素的高效持久室温磷光分子(Advanced Materials 2020)

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持久性（寿命>100 ms）室温磷光（p-RTP）对于最先进的生物成像应用非常重要。发色团与p-RTP相关的物理参数之间关系不明，这导致寻找产率超过50%和寿命超过1s的p-RTP非常困难。日本电气通信大学最近报道了在环境条件下，不含重元素发色团的高效、长寿命p-RTP。由长共轭氨基取代无重原子芳香核，显著加快了磷光发光速率，且与分子内振动的T1态无辐射跃迁无关。设计出的其中一个生色团在环境条件下的RTP产率为50%，寿命为1s。强激发下的余辉亮度至少是传统长余辉发光体的104倍。这表明，实现小规模、低成本、达到衍射极限尺寸的高分辨率门控发射的光电探测器是可能的。 文中通过ADF计算的旋轨耦合强度，详细研究了三重态-单重态间窜跃，以及激发态的辐射跃迁寿命等。 参考文献： Indranil Bhattacharjee, Shuzo Hirata,  Highly Efficient Persistent Room‐Temperature Phosphorescence from Heavy Atom‐Free Molecules Triggered by Hidden Long Phosphorescent Antenna, Advanced Materials, 2020, 2001348  

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ADF-分子与团簇的DFT计算

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概述 ADF 是世界上最早的 DFT 计算软件，计算功能非常完善、全面，建模、分析用户界面对初学者非常友好，节点内、跨节点并行计算效率非常高效。 一般功能：电子与结构、谱学与非线性光学性质、化学反应、热力学性质、溶剂化效应等，并包括高精度GW方法精确计算分子解离能与亲和势。 光学材料：零场劈裂、激发态辐射速率与寿命、系间窜跃、自旋轨道耦合，高精度GW方法精确计算ΔES-T。为OLED器件模拟软件Bumblebee提供原子层级模拟数据输入，辅助OLED器件模拟。 重元素与配合物：重元素体系研究必备工具，包含高精度相对论方法ZORA、X2C，完善的轨道成分分析、以及最流行的化学键分析方法EDA-NOCV、IQA等。 功能列表 效率优势： 支持节点内、跨节点高效并行计算，对较大体系，千核并行也能达到非常高加速比 支持大体系计算，例如大体系吸收光谱 普通工作站，甚至台式机就可以计算几百原子的规模的TDDFT性质 方法优势： 精确相对论方法计算自旋－轨道耦合，擅长过渡金属、重元素体系，磷光与系间窜跃 限制性开壳层分子计算，及其 TDDFT 计算 GW方法（支持自旋轨道耦合）：（G0W0、evGW、G3W2）方法精确计算 IP 与 EA、GW-BSE 方法精确计算 S0-T1 能隙 RPA近似：sigma-functional 泛函更新换代迅速（ADF 泛函列表），及时引入最新的重要泛函，例如 r2SCAN-3c、TASKxc、TASKCC、D4(EEQ) 色散修正等 高精度 STO 基组：对于重元素的电子轨道计算，其他基组很容易出现定性错误（例如轨道组分不正确），ADF 可靠性久经考验 QTAIM 与 Conceptual DFT，Constrained DFT，FDE 方法，收缩变分 DFT(CV(n)-DFT)用于单重态-三重态激发的计算（该功能不像普通的TDDFT那样被电荷转移激发所困扰）、配体场DFT(LFDFT)对 d → d和f → d电子转移的情况，令计算结果更可靠），基于LFDFT的 ESR g-张量双峰、XMCD 计算、DIM/QM(DRF 梯度) QM/MM与多尺度方法 功能列表： 键合分析 键级与键能计算、能量分解EDA、电荷分解CDA、化学价自然轨道ETS-NOCV（能量贡献T/V分析）、原子间键能计算方法IQA、df轨道在配合物中的分裂 分子轨道MO投影到碎片轨道SFO、SFO可视化 通过Laplacian电子密度与键关键点区分化学键类型、DORI […]

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