郭云超+金靚婕+孫曉偉

【摘 要】利用量子化學(xué)半經(jīng)驗方法可以研究電致發(fā)光材料的電子機構(gòu)、幾何構(gòu)型、光譜性質(zhì)等等?？蔀殡娭掳l(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，隨著量子化學(xué)計算方法和分子模擬技術(shù)、以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料科學(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)，計算化合物的電子光譜。對研究此類材料的性質(zhì)及合成有指導(dǎo)性意義計算結(jié)果是實驗結(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)的幾種計算方法來看，從頭算法雖然有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝С?，能得到較好的計算結(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，計算很耗時，其計算代價無法承受[4]。為了在計算時間和計算精度上找到一個平衡點。采用量子化學(xué)半經(jīng)驗方法AMI進(jìn)行了理論計算包括構(gòu)型優(yōu)化、振動分析電子光譜計算?？茖W(xué)家們以從頭算法為基礎(chǔ)，忽略一些計算量極大，但是對結(jié)果影響極小的積分，或者引用一些來自實驗的參數(shù)，從而近似求解薛定諤方程，就誕生了半經(jīng)驗算法。如：AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO 等[5，6]。目前，對多類EL材料的研究大部分都是基于量子化學(xué)的半經(jīng)驗方法。

2 光譜性能的量子化學(xué)半經(jīng)驗計算

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)生的降級輻射。目前對光譜性能的量子化學(xué)計算多半基于量子化學(xué)半經(jīng)驗方法PM3和AM1，先對化合物的幾何構(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)驗方法PM3對三種黃酮類化合物的熒光光譜進(jìn)行了理論研究。對各化合物優(yōu)化后的構(gòu)型作了振動分析，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） 計算熒光光譜，所有計算結(jié)果與實驗值基本吻合。廖顯威，李來才[8]采用單激發(fā)組態(tài)相互作用（CIS）方法，分別計算了4 種稠環(huán)芳烴的電子光譜，選了801個組態(tài)進(jìn)行計算，所得結(jié)果與實驗值基本吻合。他們還對幾種含氮芳烴化合物有機EL材料，對FL-4、 FL-7、FL-10 和FL-12的光譜進(jìn)行研究，計算結(jié)果與實驗值基本相符合。薛照明，張宣軍[9]等用PM3/SCI方法計算了三個分子的電子吸收光譜，測定了三個分子的電子吸收光譜和熒光光譜（DMF溶液）。結(jié)果表明理論計算值與實驗值相當(dāng)吻合。高洪澤，石紹慶等利用量子化學(xué)半經(jīng)驗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)，計算得到基態(tài)到各激發(fā)態(tài)的垂直躍遷能和振子強度，獲得電子光譜。分析出由于配體中苯酚環(huán)、吡啶環(huán)對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)上引入取代基會對光譜發(fā)生影響，為分子設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

3 量子化學(xué)對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，從無機小分子、有機分子到高聚物和生物大分子，從人為設(shè)計的理想模型分子到實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，指導(dǎo)設(shè)計新的實驗。目前國際上關(guān)心的課題主要有：重要新型無機分子、有機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)驗方法研究了藍(lán)色有機薄膜電致發(fā)光材料LiBq4 電子結(jié)構(gòu)，國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體系相對分子質(zhì)量較大，迄今未見有對其進(jìn)行理論研究的報道.他們通過計算結(jié)果表明，各個喹啉環(huán)基本保持各自的近平面共軛結(jié)構(gòu)。計算得到的穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)和的主要鍵長。為探討其發(fā)光機理及B和Li 元素在其中所起的作用及M —N鍵的共價性、離子性對發(fā)光的影響，為進(jìn)一步探索合成與設(shè)計具有優(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 振動分析

判斷分子是否處于穩(wěn)定構(gòu)型的一個重要方法是看它的振動光譜是否出現(xiàn)虛頻率[16]。劉芳玲，張紅梅[17]等對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， 在振動分析中，其振動光譜均未出現(xiàn)虛頻率， 說明構(gòu)型優(yōu)化基本合理性。

5 前景與展望

近些年來雖然量子化學(xué)在研究和分析EL材料方面，解釋了一些實驗現(xiàn)象，揭示了不少前期未被理解的機理，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，才能更好的選擇EL材料的構(gòu)成，合成性能更好的EL材料。

【參考文獻(xiàn)】

[1]D.B.Mitzi.Synthesis， structure and properties of organic-inorganic perovskites and related materials[J].Prog.I norg.Chem.，1999，48：123.

[2]O.M.Yag hi， H.Li， C.Davis， D.Richardson， T.L.Groy. Synthetic structure， patterns and emerging properties in the chemistry of modular porous solids[J].Acc.Chem.Res.，1998，31：474.

[3]W.Su， M.C.Hong， J.B.Weng， R.Cao， S.F.Lu.A semiconducting lamella polymer[Ag（C5H4NS）ln] with a graphite-likeanay of silver（Ⅰ）ions and its analogue with a layered structure[J].Angew. Chem. Int. Ed.， 2000，39：2911.

[4]張勇.生物活性分子的結(jié)構(gòu)和相互作用的理論研究[D].鄭州大學(xué)，2005.

[5]笪良國，張倩茹.量子化學(xué)計算方法及其在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的應(yīng)用[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報，07，9（3）：101.

[6]Dewar M. J. S，The semipirical Approach to Chemistry[J]. Int J Quantum Chem，1992，44：427.

[7]蘇宇，廖顯威，劉珊，鄧嘉莉.光譜學(xué)與光譜分析[J].2006，26（6）.

[8]廖顯威，李來才.幾種稠環(huán)芳烴EL材料的量子化學(xué)研究[J].1999，12（6）.

[9]薛照明，張宣軍，田玉鵬，吩噻嗪衍生物EL材料的結(jié)構(gòu)、光譜研究及量子化學(xué)計算[J].2002，19（3）.

[10]徐昕，王南欽，呂鑫，張乾.二量子化學(xué)的研究現(xiàn)狀發(fā)展趨勢與展望[J].1996，8（1）.

[11]高洪澤，石紹慶，闞玉和.藍(lán)色有機薄膜電致發(fā)光材料LiBq4電子結(jié)構(gòu)與電子光譜的量子化學(xué)研究[J].2005，37（3）.

[12]Adachi C， Tsutsui T， Sai to S. Blue lith t-emit ting organic elect roluminescent devices[J].Appl Phys Lett， 1990，56（9）：293-296.

[13]張曉宏，吳世康，高志強，等.幾種吡啉衍生物的光致發(fā)光和電致發(fā)光特性研究[J].化學(xué)學(xué)報，1999，58（3）：293-296.

[14]Tao X T， Suzuki H， Wada T ，et al.Highly effi cient blue electroluminescence lithium tetra -（2 -methyl-8 -hyd roxy -quinolinat o） boron[J].J Am Chem Soc， 1999，121（40）：9447-9448.

[15]Gao Z Q ， Lee C S ， Lee S T ， et al.Brigh t-blue elect roluminescence from a silyl -subst itut ed t er -（phenylene[Z].

[16]HehreW J， Radom L， Pople J A. Ab Initio Molecular Orb ital Theory[M]. New York： JohnW iley& Sons， 1986：227.

[17]劉芳玲，張紅梅，廖顯威.萘及其1-鹵素取代化合物的熒光光譜的量子化學(xué)研究[J].2009，32（4）.

[責(zé)任編輯：湯靜]