弱相互作用对有机光电性质调控的理论研究

1 引言

相较于共价键相互作用，分子内非共价相互作用是一种弱的两个原子之间或者两个基团之间的非键相互作用。这种弱相互作用有时会影响甚至决定有机/聚合物半导体的构象，从而诱导出优越的光电特性。近年来，人们利用分子内非共价相互作用（构象锁）策略来调控有机半导体材料光电性能，并在有机发光、有机传输及有机光伏性能提高方面取得了惊人的效果 。然而，在有机/聚合物半导体中，分子几何结构、非共价相互作用强度与光电性能之间缺乏深刻的理解和直接的定量关系， 甚至这种作用的本质是由轨道重叠还是静电相互作用引起的， 仍存在争议。此外，由于分子内非共价相互作用是一种非常弱的力，实验上很难给予直接表征，理论上精确描述它也极具挑战性。

2 成果简介

本项目针对有机半导体中两原子之间的分子内非共价相互作用（构象锁），运用主流的电子结构计算方法，揭示其本质来源，寻求其强度对分子的平面性、原子间距离、非键/成键取向等分子结构的依赖性，建立基于分子结构参数的分子描述符定量描述其强度，并搭建其强度与有机半导体的发光和电荷传输性能之间的密切联系，并进行实验验证。我们设计了 56 个具有典型的有机光电材料常用的结构单位的分子体系，具有或者没有构象锁（X···Y, X=O, S, Se, Te; Y=C, F, O,S, Cl），进行研究。通过势能面扫描、键长、原子电荷、静电势、NBO 等系统的分析，得到出这些设计的化合物中存在的有效构象锁 X···Y 来源于轨道相互作用，并寻找出这些构象锁的强度与分子的平面性、n 轨道和

轨道的夹角、两个原子间距离等分子结构参数的强烈依赖关系。基于此，我们建立了一个表征构象锁强度的分子描述符S，它仅仅是几个分子几何结构参数的函数，无需进行任何复杂的量子化学计算就可获得。并且，其数值与非共价相互作用能E(2)表现出惊人的线性关系，线性拟合系数高达 0.927。由此得到的 S 变化顺序为S···O

我们选择具有典型的构象锁强度变化顺序的O···O

3 图文导读

图1. 研究的56个体系的分子结构

图2. 描述符的建立，其值与非共价相互作用能之间的关系

图 3. 描述符与光激发重整能及电荷传输重整能的关系

表 1. 新合成的 8 个分子的计算和实验的光物理性质（ ^a^ , 溶液; ^b^ , 薄膜）

图4. 描述符在已报道化合物中的应用

4 小结

在鸿之微云上，本项目使用鸿之微 MOMAP 软件，基于第一性原理，计算了一系列有或者没有分子内非共价相互作用体系的光电性质，结果揭示了非共价相互作用的本质及其强度对分子几何结构的依赖关系，建立了一个仅基于几何结构参数的分子描述符S，并且可以很好地表征有机半导体中非共价相互作用能。重要的是，它与发光重组能和电荷重组能表现出良好的负相关关系，表明了非共价相互作用调节有机半导体发光和电荷传输性能的能力。这项工作提供了一个简单的描述符来描述分子内非共价相互作用的强度，在分子结构和发光/电荷传输性能之间架起了一座桥梁，这对于高性能有机半导体的分子设计和性质预测具有重要意义。





审核编辑：刘清