近年来，具有反转单重态-三重态能隙（IST）的荧光材料因违背了洪特规则，三线态能量高于单线态能量，具有高效的反向系间窜越过程，为开发具备卓越性能的OLED材料提供了新途径，标志着OLED新一代显示器和照明技术的突破性进展。然而，违反洪特规则的内在机制尚不明确，且高精度计算方法成本高昂、耗时严重，极大制约了IST材料的大规模高通量虚拟筛选（HTVS）。为此，化学科学学院彭谦教授团队构建了一个光物理模型以揭示违反洪特规则的机制，并建立了关键的分子描述符来有效表征该特性，从而实现了对大规模化学空间的高效筛选。基于这一方法，团队成功预测了一系列具有潜力的IST荧光体系，为OLED发光材料提供了新型的分子模版。
该团队首先构建了一个包含单电子激发和双电子激发的四轨道模型（FOM），用以阐明单双激发、轨道能级及轨道间交换积分在IST能隙形成机制中的作用。分析表明，极小的HOMO-LUMO轨道重叠与较大的双激发态所涉轨道间能量差，协同诱导产生了负的单重态-三重态能隙。进一步地，团队从模型中推导出两个与交换积分和分子轨道能差相关的分子描述符（KS和OD），为后续筛选提供了理论依据。
图1. 四轨道模型图
接着团队构建了一个虚拟分子数据集，借助于KS和OD两个描述符，从3486个核结构的化学数据集中快速筛选出41个IST分子核。重要的是，相比于昂贵的HF后计算，我们描述符筛选IST分子核的周期缩短了13倍，筛查成功率高达90%。
图2. 分子描述符辅助筛选IST分子流程
团队选择振子强度最大的IST分子核，通过引入42个取代基生成了1028个候选分子，结合高精度后HF方法和热振动相关函数速率理论对这些分子的光物理性质进行了研究。预测出一系列潜在的近红外IST体系，发射波长覆盖从852.2至1002.3 nm。其中，一个发射波长为880.7 nm的体系其PLQY高达3.5%，这与目前报道的传统近红外荧光体系的效率相媲美
图3. 分子描述符辅助筛选IST分子流程
总之，这项工作从微观机制层面深化了IST分子能量反演的理解，建立了关键的分子描述符，为未来的理性分子设计和大规模分子筛选提供了有力工具。而且，首次预测了近红外OLED的IST材料，为生物医学及成分测定等领域的应用铺平了道路。
该工作以“Molecular descriptors for high-throughput virtual screening of fluorescence emitters with inverted singlet-triplet energy gaps”为题发表在npj Computational Materials上，中国科学院大学博士研究生庞雨为第一作者，中国科学院大学化学科学学院彭谦教授为通讯作者，中国科学院大学化学科学学院为第一完成单位。以上工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院及国科大的支持。
