量子化学在电致发光材料分析中的应用

郭云超+金靓婕+孙晓伟

【摘 要】利用量子化学半经验方法可以研究电致发光材料的电子机构、几何构型、光谱性质等等。可为电致发光材料的合成和选用提供诸多指导性建议。本文通过对最近量子化学在电致发光材料合成和分析的应用类文章进行了归纳总结，粗略地说明了量子化学在电致发光材料合成中所起的作用。

【关键词】量子化学；电致发光材料；合成

0 引言

有机及配合物电致发光（EL）和非线性光学材料在高新技术中的广泛应用，受到人们的关注并得到积极的研究[1-3]。近30年来，随着量子化学计算方法和分子模拟技术、以及计算机技术的飞速发展，对材料科学的发展产生了深刻影响。利用量子化学计算方法方法研究EL材料的电子结构和光谱性质，以全自由度优化几何结构为基础，计算化合物的电子光谱。对研究此类材料的性质及合成有指导性意义计算结果是实验结果基本吻合。本文主要介绍量子化学在EL材料研究中的应用及进展。

1 量子化学研究EL材料的方法及原理

就量子化学的几种计算方法来看，从头算法虽然有严谨的理论支持，能得到较好的计算结果，但是当遇到诸如酶、聚合物、蛋白质等大分子体系时，计算很耗时，其计算代价无法承受[4]。为了在计算时间和计算精度上找到一个平衡点。采用量子化学半经验方法AMI进行了理论计算包括构型优化、振动分析电子光谱计算。科学家们以从头算法为基础，忽略一些计算量极大，但是对结果影响极小的积分，或者引用一些来自实验的参数，从而近似求解薛定谔方程，就诞生了半经验算法。如：AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO 等[5，6]。目前，对多类EL材料的研究大部分都是基于量子化学的半经验方法。

2 光谱性能的量子化学半经验计算

EL材料的发光颜色与材料的荧光光谱有密切的关系，荧光即是电子由第一激发单重态跃迁回基态所产生的降级辐射。目前对光谱性能的量子化学计算多半基于量子化学半经验方法PM3和AM1，先对化合物的几何构型进行了全参数优化， 得到其稳定构型，再进行振动分析，在此基础上利用单激发态组态相互作用方法（CIS）计算它们的电子光谱。

比如苏宇，廖显威[7]等人采用量子化学半经验方法PM3对三种黄酮类化合物的荧光光谱进行了理论研究。对各化合物优化后的构型作了振动分析，均未出现虚频率。在此基础上，采用单激发组态相互作用方法（CIS） 计算荧光光谱，所有计算结果与实验值基本吻合。廖显威，李来才[8]采用单激发组态相互作用（CIS）方法，分别计算了4 种稠环芳烃的电子光谱，选了801个组态进行计算，所得结果与实验值基本吻合。他们还对几种含氮芳烃化合物有机EL材料，对FL-4、 FL-7、FL-10 和FL-12的光谱进行研究，计算结果与实验值基本相符合。薛照明，张宣军[9]等用PM3/SCI方法计算了三个分子的电子吸收光谱，测定了三个分子的电子吸收光谱和荧光光谱（DMF溶液）。结果表明理论计算值与实验值相当吻合。高洪泽，石绍庆等利用量子化学半经验AM1及INDO/SCI方法研究了B与8-羟基喹啉的螯合（LiBq4）的电子结构和光谱性质，计算得到基态到各激发态的垂直跃迁能和振子强度，获得电子光谱。分析出由于配体中苯酚环、吡啶环对不同前线轨道的贡献不一样，所以在吡啶环和苯酚环上引入取代基会对光谱发生影响，为分子设计提供理论指导。

3 量子化学对EL材料结构的分析

结构与性能的关系一直是量子化学的主要研究领域，它涉及的范围非常广泛，从无机小分子、有机分子到高聚物和生物大分子，从人为设计的理想模型分子到实用的药物分子和材料分子等[10]。通过结构与性能的研究，人们可以逐类地对一些化学现象进行统一的解释，得出一般性的规律，进而预言一新的化学事实，指导设计新的实验。目前国际上关心的课题主要有：重要新型无机分子、有机分子和原子簇化合物的化学键本质的研究；重金属、稀土元素化合物的成键规律；（半）导体材料、磁性材料、光电材料等。

高洪泽，石绍庆[11]等通过量子化学半经验方法研究了蓝色有机薄膜电致发光材料LiBq4 电子结构，国外研究人员在这方面已做了不少努力，合成了很多类型的蓝色发光材料并且制备了相关器件[12-15]，但多数都没有获得突出的结果。由于LiBq4体系相对分子质量较大，迄今未见有对其进行理论研究的报道.他们通过计算结果表明，各个喹啉环基本保持各自的近平面共轭结构。计算得到的稳定几何结构和的主要键长。为探讨其发光机理及B和Li 元素在其中所起的作用及M —N键的共价性、离子性对发光的影响，为进一步探索合成与设计具有优良性能的蓝色发光材料提供理论依据和指导。

4 振动分析

判断分子是否处于稳定构型的一个重要方法是看它的振动光谱是否出现虚频率[16]。刘芳玲，张红梅[17]等对萘及其卤代化合物在B3LYP /6-31G水平下优化了4种化合物的几何构型， 在振动分析中，其振动光谱均未出现虚频率， 说明构型优化基本合理性。

5 前景与展望

近些年来虽然量子化学在研究和分析EL材料方面，解释了一些实验现象，揭示了不少前期未被理解的机理，甚至预期了一些结构性能关系。但量子化学的应用远不止这些。随着量子化学理论不断发展和应用领域的逐渐拓宽，研究方法的不断创新，今后将对电致发光材料的合成和选择提供更好的理论依据和指导。将量子化学与EL材料的性质分析结合起来，才能更好的选择EL材料的构成，合成性能更好的EL材料。

【参考文献】

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[17]刘芳玲，张红梅，廖显威.萘及其1-卤素取代化合物的荧光光谱的量子化学研究[J].2009，32（4）.

[责任编辑：汤静]