Colloquium on "Advanced Functional Materials for renewable energy and organic electronics (AFM-Colloquium)"

Excited state processes for organic energy materials


Abstract: Organic materials are characterized by flexible molecular/polymeric skeleton structure and weak inter-molecular interaction of van der Waals type. The excited state processes are governed the electron-vibronic coupling. Excite states structure and dynamics are essential for understanding the optoelectronic property for materials. Light-emitting occurs in nanosecond scale, which is more than three orders of magnitude longer than the time scale typical computational methods can handle. We developed a thermal vibration correlation function formalism for the excited state decay, which can take multi-mode mixing effects on the non-adiabatic coupling term into accounts, applicable to large and flexible organic molecules (J Am Chem Soc 2007, J Chem Phys 2007, Sci China Chem 2008). This method laid the foundation for the commercialized software MOMAP (Molecular Materials Property Prediction Package) own by Shuai group, which has been extremely useful to quantitative understanding of the exotic aggregation induced emission (AIE) phenomena as manifested in more than 10 collaborative publications with Prof. Ben Z Tang. Later, Shuai added spin-orbit coupling into this formalism (J Chem Theor Comput 2013) so that phosphescence efficiency and spectrum can be evaluated for organo-metallic compounds (J) and both the prompt and delayed fluorescence quantum efficiency for the TADF (thermally activated delayed fluorescence) molecular materials can be determined from first principle (J Phys Chem C 2017). Recent years, Shuai group applied such formalism to propose molecular design strategy to realize ultralong lifetime and high efficient purely organic phosphorescence, which was indeed applied in experiment carried out by Tang group (Chem 2016). The theory paper (J Am Chem Soc 2019) derived from such pratices was highly influential (citation >150). Such formalism has been applied to propose design strategy for organic lasing materials (Nature Commun 2020). The software MOMAP has been used by more than 120 groups worldwide.

Prof. Zhigang Shuai

Tsinghua University, China

Процессы возбуждения в органических материалах, используемых в энергетике


Абстракт: Органические материалы характеризуются гибкой молекулярно-полимерной структурой скелета и слабым межмолекулярным взаимодействием ван-дер-ваальсового типа. Процессы в возбужденном состоянии определяются электронно-вибронной связью. Структура и динамика возбужденных состояний необходимы для понимания оптоэлектронных свойств материалов. Излучение света происходит в наносекундном масштабе, что более, чем на три порядка превышает временной масштаб, с которым могут справиться типичные вычислительные методы. Мы разработали формализм корреляционной функции тепловых колебаний для затухания возбужденного состояния, который может учитывать влияние многомодового смешивания на член неадиабатической связи, применимый к большим и гибким органическим молекулам (J Am Chem Soc 2007, J Chem Phys 2007 , Sci China Chem 2008). Этот метод заложил основу для коммерческого программного обеспечения MOMAP (Пакет прогнозирования свойств молекулярных материалов), принадлежащего группе Shuai, которое было чрезвычайно полезно для количественного понимания феномена экзотической эмиссии, вызванной агрегацией (AIE), которая проявляется в более чем 10 совместных публикациях с профессором Бен Ж. Тан. Позже Шуай добавил к этому формализму спин-орбитальную связь (J Chem Theor Comput 2013), чтобы можно было оценить эффективность и спектр фосфесценции для металлоорганических соединений (J), а также квантовую эффективность быстрой и замедленной флуоресценции для TADF (термически активированная замедленная флуоресценция) молекулярных материалов можно определить из первого принципа (J Phys Chem C 2017). В последние годы группа Shuai применила такой формализм, чтобы предложить стратегию молекулярного дизайна для реализации сверхдлительного срока службы и высокоэффективной чисто органической фосфоресценции, которая действительно применялась в эксперименте, проведенном группой Tang (Chem 2016). Теоретическая статья (J Am Chem Soc 2019), основанная на такой практике, оказала большое влияние (цитирование> 150). Такой формализм был применен для предложения стратегии разработки органических лазерных материалов (Nature Commun 2020). Программное обеспечение MOMAP используется более, чем 120 группами по всему миру.

Bio: Zhigang Shuai received B.Sc. in 1983 from Sun Yat-sen University majoring in physics and M. Sc. in solid state physics from Jinan University in 1986, both in Guangzhou. He then went to Shanghai to earn his PhD in theoretical physics in Fudan University with Prof. Xin Sun. After that, in early 1990, he went to work with Prof. Jean-Luc Brédas in the University of Mons, Belgium, as a postdoc and then as a research associate for 11 years. He built his independent research group since 2002 with the support of “Hundred-Talent Program” in the Institute of Chemistry of the Chinese Academy of Sciences. He received the Outstanding Young Investigator’s Fund from the National Natural Science Foundation of China in 2004. He moved to Tsinghua University in 2008 as a Changjiang Scholar Chair Professor. He has been working on theoretical understanding of the electronic processes in organic and polymeric materials focusing on developing computational methodology to calculate the excited state structure and dynamics in carrier motion and energy conversion processes. He has published more than 430 papers in scientific peer-reviewed journals, with > 23000 citations (H-index 84). He has been elected to the International Academy of Quantum Molecular Science in 2008 and became the vice president in 2018. And he is an elected foreign member of the Academia Europaea (2011) and the Royal Academy of Belgium (2013). He was also elected to the Scientific Board of the World Association of Theoretical and Computational Chemists (2017). He was the recipient of the Chinese Chemical Society – AkzoNobel Chemical Science Award (2012), the French Chemical Society Prix Franco-Chinois (2018), the First-Class Award of Beijing Municipal Natural Science Prize (2020).