《Optical Materials: X》：Virtual Screening of CBP Derivatives for OLED Applications towards Evaluation of Substitution Effects on Electronic and Optical Properties
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本研究针对CBP材料在OLED应用中能级匹配不佳、电荷传输效率有限等问题，通过DFT系统筛选55种CBP衍生物，揭示取代基类型与位置对能带结构、激子结合能及光学吸收的调控规律。研究发现苯并噻二唑修饰可实现可见光区吸收（476 nm）与低激子束缚（0.38 eV），TCNQ修饰可获得超高电子亲和能（4.86 eV），为OLED功能层材料设计提供了定量化设计策略。
在有机发光二极管（OLED）技术飞速发展的今天，高性能有机半导体材料的设计成为推动柔性显示和固态照明进步的核心驱动力。作为经典磷光OLED主体材料的4,4′-双(N-咔唑基)-1,1′-联苯（CBP），虽然具备良好的电荷传输性能和结构稳定性，但其本征宽带隙（4.084 eV）和前沿分子轨道能级与常见电极功函数匹配度较差，严重限制了其在电荷传输层中的应用潜力。如何通过分子工程精准调控CBP的电子结构、光学性质及激子行为，成为提升OLED器件效率的关键科学问题。
发表于《Optical Materials: X》的研究论文《Virtual Screening of CBP Derivatives for OLED Applications towards Evaluation of Substitution Effects on Electronic and Optical Properties》通过系统性计算筛选，为这一挑战提供了创新解决方案。研究团队采用密度泛函理论（DFT）与含时密度泛函理论（TD-DFT）计算方法，对11种给电子/吸电子片段在CBP骨架五个不同位点构建的55种衍生物进行虚拟筛选。通过高斯09软件在B3LYP/6-31G水平完成几何优化，并系统评估了能带结构、电离势、电子亲和能、化学反应性描述符、紫外-可见吸收光谱及激子结合能等关键参数。
研究首次同时考量取代基电子特性与位置效应的协同作用，发现苯并[c][1,2,5]噻二唑在咔唑位点（Structure 1）修饰可实现理想平衡：带隙降至2.99 eV，激子结合能仅0.38 eV，最大吸收波长红移至476 nm，这使其成为发光层的优选材料。而TCNQ在联苯核心（Structure 6）的修饰则展现出极端电子特性：带隙窄至0.856 eV，电子亲和能高达4.86 eV，软化度最大，完美契合电子传输层需求。更有趣的是，1,4-二氰基苯在联苯位点的修饰兼具反应平衡性与电子稳定性，带隙2.738 eV，特别适合作为磷光OLED主体材料。
能带结构调控与取代位点效应
通过热图分析发现，取代基身份与连接位置共同决定能带调制效果。TCNQ在联苯位点引起最强分子内电荷转移，使带隙急剧收窄至0.856 eV，HOMO/LUMO能级分别为-5.719 eV/-4.863 eV。而苯并噻二唑在咔唑位点则实现更均衡的能级调控，HOMO/LUMO能级分别位于-5.538 eV/-2.547 eV，既保障电荷注入效率又维持辐射复合能力。态密度（DOS）分析进一步证实，联苯位点取代普遍增强电子离域，而咔唑位点取代更利于保持轨道定域性。
量子化学描述符与OLED功能关联
反应性描述符计算揭示TCNQ修饰体系具有最低化学硬度（0.42 eV）和最高亲电性指数（32.54 eV），对应优异电子注入能力。苯并噻二唑体系则呈现适度软化度（1.72 eV）与亲电性（5.29 eV），保障发光层所需的激子稳定性和辐射效率。分子静电势（MEP）分析显示取代位点显著影响电荷空间分布，联苯核心修饰更易产生全局电荷分离。
光学吸收与激子行为解析
紫外-可见光谱计算表明，苯并噻二唑在可见光区（476 nm）具有特征吸收，振子强度适中（0.02），符合发光材料要求。激子结合能（EBE）分析发现，低EBE值与窄带隙材料（如TCNQ修饰体系）相关，利于电荷分离；而中等EBE值（如1,4-二氰基苯体系的0.40 eV）则更适合主体材料对激子约束的需求。取代位点对比显示，联苯位点修饰普遍降低EBE值，咔唑位点修饰则提供适中的激子束缚强度。
该研究通过多参数协同分析，建立了CBP衍生物的“结构-性能-功能”映射关系，不仅筛选出三类最优材料组合，更揭示了取代位点对分子电子结构的精细调控机制。这种基于量子化学描述符的虚拟筛选策略，为OLED功能层材料的理性设计提供了新范式，有望加速新一代光电材料的开发进程。研究者特别指出，未来工作需要结合溶液处理性、薄膜形态稳定性等实验验证，推动计算设计向实际器件应用的转化。
