含噻吩类有机小分子载流子传输及光物理性质的理论研究

【摘要】随着有机电子学领域的飞速发展，有机光电材料备受人们的关注。由于其具有材料丰富、重量轻、柔性、低成本、制作工艺简单等潜在优点，被广泛应用于有机场效应晶体管(OFET)、有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池(OSC)等光电器件中。其中，噻吩类材料因硫(S)原子的引入，提升了分子的极化率，从而表现出多种分子内和分子间相互作用，如范德华相互作用、弱分子间氢键、π-π堆积、S···S（硫···硫）相互作用等等。这使得人们可以通过分子设计来改善噻吩类材料的性能。同时，噻吩类材料还具有较大π-共轭结构以及卓越的化学和物理性质，因此，寡聚噻吩材料和噻吩作基础单元构筑的各种分子成为人们热衷研究的对象。本论文采用量子化学手段，深入探讨了含噻吩类有机小分子光电材料的电子结构与载流子传输及光物理性质间的关系，为更好地设计合成高迁移率的载流子传输材料以及高效的有机小分子给体材料提供一定的理论基础。主要研究内容分为如下三个部分：第一部分主要从理论上探讨了硫原子的位置，不同的取代基和π-共轭核对四噻吩芳烃衍生物空穴传输性质的影响。通过对静电势，Hirshfeld表面分析，能量分解分析和各向异性迁移率的系统分析进一步探究了分子堆积，分子间相互作用和迁移率间的相互关系。研究结果表明以蒽为π-共轭核趋向于具有较好的载流子传输性质；与硫原子在外侧的2相比，硫原子在内侧的1a具有较低的前线分子轨道能级，较小的重组能，较大的转移积分以及空穴迁移率。然而，2中四个硫原子裸露在外面增加了分子间的S···S相互作用，提供了更多有效的载流子传输通道。引入己基噻吩基团增大了π-共轭程度和HOMO能级，有利于空穴载流子的注入，同时使得分子形成更为陡峭的滑移π-π堆积，趋向于形成一维传输。此外，在所有分子间相互作用中，色散能在分子的堆积过程中起到了主要的作用。第二部分针对目前电子传输材料在空气中不稳定、迁移率低、发展滞后于空穴传输材料的现状。基于实验研究上曾在典型空穴传输材料-低聚噻吩的基础上引入二氰基乙烯，使之实现由p型到n型材料的转换，这一部分我们主要从理论上重点讨论了此转换过程中载流子传输性质的变化以及探讨分子的各向异性迁移率和分子内相互作用的关系。此外，采用色散校正的密度泛函理论(DFT-D)对没有晶体结构的分子3a和3b进行了简单的晶体堆积预测，并对其性质进行了初步估计。结果表明，与母体BT相比，氰乙烯基的引入使得HOMO，（最低未占据轨道）LUMO降低，重组能减小，转移积分增大。同时，分子间存在C-N···S，C-N···H氢键相互作用和C-N间短的相互作用，形成了有利于载流子传输的有效通道。3a和3b趋向于形成滑移的π-π堆积，3b可能成为较好的双极性传输材料。第三部分在前两部分的基础上，这一部分将研究重点集中在有机小分子材料在太阳能电池中的应用。由于有机小分子太阳能电池的效率还远落后于无机硅太阳能电池以及有机聚合物太阳能电池的效率，为了进一步提高基于有机小分子给体材料的太阳能电池的效率，我们从理论上设计了一系列以萘并二噻吩(NDT)为中心给体单元，不同缺电子强吸收的受体片段为受体单元的给体材料，结合密度泛函理论和时间依赖密度泛函理论对这些分子进行表征。结果表明设计的体系3-5与实验上合成的给体材料1的性能相类似，同样展现出在电池中的潜在应用价值。特别的是，以萘并噻吩(NT)为受体单元的7由于具有宽而红移的吸收光谱，较小的激子结合能，高的开路电压和小的重组能，可能成为比1更为高效的太阳能电池给体材料。
【作者】段雨爱；
【导师】苏忠民；
【作者基本信息】东北师范大学，物理化学，2014，博士
【关键词】噻吩；稠环芳烃；氰乙烯基；载流子传输性质；太阳能电池；密度泛函理论；

【参考文献】
[1]翁艳.针刺膝后五穴治疗膝骨性关节炎的临床观察[D].福建中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2014,硕士.
[2]孙建军.UMSCs对U87MG细胞生物学行为影响的研究[D].兰州大学,外科学,2013,硕士.
[3]高素梅.新疆地方政府在“智力援疆”工程中的作用研究[D].新疆大学,行政管理,2013,硕士.
[4]诸亮.从新的起点奋勇前进[J].调味副食品科技.1982(01)
[5]马伟红.真实与消费：电视真人秀的文化解析[D].首都师范大学,文艺学,2013,硕士.
[6]刘建峰.A汽车4s店售后服务管理创新研究[D].吉林大学,工业工程,2014,硕士.
[7]张延禄,杨乃定.基于组织-任务网络的研发项目工期风险分析——以组织失效为风险因素[J].中国管理科学,2015,02:99-107.
[8]孙庆.基于LMI方法的时滞广义大系统的非脆弱分散控制[D].东北大学,系统理论,2011,硕士.
[9]吴率帅.锁定钢板和传统钢板治疗股骨骨折内固定断裂率的比较分析[D].河北医科大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[10]刘鲁红,刘力强,胡亚军.信息抽取技术在数字图书馆中的应用研究[J].情报理论与实践,2005,03:321-324.
[11]杨泽民,范全润.数据挖掘及其应用[J].雁北师范学院学报,2002,01:111-112.
[12]本报记者杨萌.中钢吉炭频发澄清公告难甩“大忽悠”之名[N].证券日报,2011-12-26C03.
[13]KIPEJA.中国对非洲直接投资的主要决定因素[D].首都经济贸易大学,国际贸易,2014,硕士.
[14]桂红云,姚文熙,吕征宇.DSP空间矢量控制三电平逆变器的研究[J].电力系统自动化,2004,11:62-65+74.
[15]吕虎.海洋微生物抗真菌活性菌株的分离及Aspergillus sp.H075抗真菌蛋白的纯化[D].湖北大学,微生物学,2012,硕士.
[16]王颖燕.双频脑电指数在小儿脑瘫手术麻醉监测中的应用[D].北京中医药大学,中西医结合外科,2013,硕士.
[17]付燎原.施工期多层模板支撑体系荷载传递规律分析与性能测试[D].西安建筑科技大学,土木工程建造与管理,2013,硕士.
[18]徐少毅,毛丽娜.QoS区分的高速移动OFDMA系统无线资源分配[J].铁道学报,2014,11:54-59.
[19]张瑞敏.中亚小武器和轻武器法律管制研究[D].兰州大学,国际关系,2013,硕士.
[20]罗晓龙.车载天线倒伏装置传动系统零部件的设计与分析[D].广西科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[21]薛万东.胜利油田水资源综合利用工程规划研究[D].大连理工大学,建筑与土木工程,2003,硕士.
[22]彭朝海.数据仓库技术在证券方面的应用[J].四川工业学院学报,2003,S1:11-13.
[23]张兴斌.农村集体土地征收程序立法完善研究[D].内蒙古大学,法律,2014,硕士.
[24]柏昶翔.关于更高效进行地区性环保的研究和意见——以麻城市为例[J].企业改革与管理,2014,24:45.
[25]马驰.论声乐教学中审美意识的培养[D].辽宁师范大学,音乐学,2012,硕士.
[26]宋甲英.基于IEEE802.16的无线Mesh网络关键性能与资源调度算法研究[D].北京交通大学,2012.
[27]蔡全辉.废旧沥青混合料厂拌热再生应用问题研究[D].哈尔滨工业大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[28]吴健生,朱谷昌,曾新平,张普斌,和志军.三维GIS技术在固体矿产勘探和开发中的研究与应用[J].地质与勘探,2004,01:68-72.
[29]王健新.我国侦查机关适用非法证据排除规则的困境与出路[D].华侨大学,法律,2013,硕士.
[30]梁世云.城市山地公园植物景观改造研究[D].浙江大学,风景园林（专业学位）,2012,硕士.
[31]戴海峰.信托公司集合资金信托若干法律问题研究——以其业务规则障碍为导向[D].华东政法学院,法律,2004,硕士.
[32]崔志鑫.地理必修1的教学重点、难点研究[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[33]马京伟.追续权法律问题研究[D].北方工业大学,民商法学,2014,硕士.
[34]邢洁,陈陈,王杰.区间不确定信息下的小干扰稳定分析方法[J].电力系统自动化,2010,06:12-16.
[35]吴婧.价值工程理论在工程可行性分析中的应用研究[D].长安大学,交通运输工程（专业学位）,2014,硕士.
[36]白兆帅.亚硒酸钠对高脂型2型糖尿病小鼠胰岛素信号通路的影响及其机制[D].华中科技大学,无机化学,2013,硕士.
[37]赵嘉明.国有企业管理人员KPI考核与实证研究[D].首都经济贸易大学,劳动经济学,2014,硕士.
[38]戴锡花.安徽省地理国情普查管理问题研究[D].安徽大学,公共管理,2014,硕士.
[39]张超.大型耙吸挖泥船研究[D].上海交通大学,2003.
[40]吴鹏.改进的蚁群算法在车载导航系统中的应用[D].南京理工大学,控制工程,2013,硕士.
[41]艾颖超.硝酸盐、亚硝酸盐在鲈鱼贮藏加工过程中含量变化研究及其抑菌替代方法探讨[D].浙江工商大学,食品科学与工程,2013,硕士.
[42]安娜,林建成.知识社会学视野下提升中国文化软实力的路径分析[J].北京交通大学学报(社会科学版),2014,03:111-116.
[43]何玲.英汉动结构式增效对比研究[D].复旦大学,英语语言文学,2013,博士.
[44]姚祥坦.芜菁抗病种质创新的相关技术研究[D].浙江大学,蔬菜学,2004,硕士.
[45]滕予非,王锡凡,宁联辉,宋卓彦.分频输电系统交—交变频器触发脉冲实时生成方法[J].电力系统自动化,2010,23:76-81.
[46]董朝红.匀染剂在毛织物染色中的应用研究[D].青岛大学,纺织化学与染整工程,2004,硕士.
[47]张青青.改性石墨烯掺杂聚苯胺复合材料的合成及其电化学性能研究[D].天津大学,2014.
[48]张岚.大德客家古村落空间营造对水体环境的适应性研究[D].华侨大学,建筑学（专业学位）,2014,硕士.
[49]费腾.我国商业银行能效贷款研究[D].首都经济贸易大学,金融学,2014,硕士.
[50]彭青.当前信用体制条件下，招商银行针对中小企业融资业务的“二次转型”方案[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.