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外电场调控下多环芳香烃分子激发特性的理论与实践探究

一、引言

1.1研究背景与意义

进入21世纪，半导体技术与平板显示技术飞速发展，有机电致发光材料（OrganicElectroluminescentMaterials,EL）的研究备受科研工作者关注。传统无机发光材料存在开发技术难度大、效率低、价格高等缺陷，难以满足现代科技发展需求。而有机电致发光材料具备较高的荧光量子效率、良好的载流子传输性能、出色的热稳定性和化学稳定性等特性，成为现代发光材料发展的新趋势。

多环芳香烃化合物（PolycyclicAromaticHydrocarbon,PAHs）作为具有共轭苯环结构的分子材料，是一类重要的有机发光材料，也是很多高性能有机电致发光材料的先导化合物，可衍生出荧光量子效率较高的有机小分子或聚合物。其在有机电致发光材料中占据重要地位，在有机发光二极管（OLED）、太阳能电池、传感器等光电器件中展现出巨大的应用潜力。例如，在OLED中，多环芳香烃类材料可作为发光层、传输层等关键组成部分，其性能直接影响着器件的发光效率、色彩饱和度和使用寿命。

对于PAHs分子，苯环个数和取代基位置会影响分子吸收峰值的移动，而施加外电场后，分子的吸收谱会发生显著变化。外电场能够改变分子的电子云分布、能级结构以及电子跃迁特性，进而影响其发光性能。研究外电场作用下PAHs分子的激发特性，有助于深入理解其微观发光机制，从分子层面为开发新型光电材料提供理论依据。通过精准调控外电场，有望优化PAHs分子的激发态性质，提高其发光效率和稳定性，从而推动有机电致发光材料在平板显示、固态照明、光通信等领域的应用，满足市场对高性能光电材料的需求。

1.2国内外研究现状

国内外针对多环芳香烃分子的研究取得了一定成果。在无外场作用下，研究主要集中于分子基态的结构和性质。通过理论计算和实验手段，对PAHs分子的几何结构、电子云分布、电荷密度等进行了深入分析，揭示了分子结构与性质之间的内在联系。在实验方面，利用X射线单晶衍射技术精确测定分子的晶体结构，获取键长、键角等几何参数；采用核磁共振（NMR）、红外光谱（IR）等谱学方法，分析分子的化学环境和化学键振动模式，为分子结构的确定提供有力支持。在理论计算方面，广泛运用量子化学方法，如密度泛函理论（DFT），对分子的电子结构进行计算，得到分子轨道能量、电荷分布等信息，从理论层面解释分子的稳定性和反应活性。

然而，在外电场作用下PAHs发光分子结构及激发特性的研究相对较少。虽有部分研究涉及外电场对PAHs分子电子结构和光学性质的影响，但研究体系和外电场范围有限，未能全面系统地揭示外电场与PAHs分子相互作用的本质规律。目前，对于外电场作用下PAHs分子激发态的电子跃迁过程、激发态寿命、能级分裂等关键特性的研究还不够深入，缺乏统一的理论模型来解释实验现象，难以实现对分子激发特性的精准调控。

1.3研究内容与方法

本研究旨在全面深入地探究外电场作用下多环芳香烃分子的激发特性。具体研究内容包括：首先，选取具有代表性的多环芳香烃分子，利用量子化学计算方法，深入研究外电场对分子基态结构的影响，分析键长、键角、二面角等几何参数的变化规律，揭示外电场与分子结构之间的相互作用机制。其次，运用含时密度泛函理论（TD-DFT）等方法，研究外电场作用下分子的激发态性质，包括激发态能量、跃迁偶极矩、振子强度等，明确外电场对分子电子跃迁过程的影响，探索激发态电子的分布和运动规律。再者，通过计算分子的吸收光谱和发射光谱，分析外电场对光谱位置、强度和形状的影响，建立光谱特性与分子激发特性之间的联系，为实验光谱的解析提供理论依据。

在研究方法上，采用理论计算与实验研究相结合的方式。理论计算方面，运用Gaussian等量子化学计算软件，采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT），搭配合适的基组，对多环芳香烃分子进行结构优化和激发态计算。通过改变外电场的强度和方向，系统地研究分子结构和激发特性的变化规律。实验研究方面，开展相关光谱实验，测量多环芳香烃分子在外电场作用下的吸收光谱和发射光谱，与理论计算结果进行对比验证，进一步完善和修正理论模型，确保研究结果的准确性和可靠性。

二、多环芳香烃分子及外电场作用的相关理论

2.1多环芳香烃分子结构与性质基础

多环芳香烃（PAHs）分子是指含有两个或两个以上苯环的碳氢化合物，其基本结构单元是苯环，这些苯环通过共用碳原子以不同的方式连接在一起，形成了丰富多样的分子构型。根据苯环的连接方式，PAHs可分为联苯和联多苯类、多苯代脂肪烃类和稠环芳烃类。联苯和联多苯类中苯环间以σ键连接，如联苯是最简单的此类化合物；多苯代脂肪