某些含硫/氮杂原子的有机半导体材料分子设计及载流子传输性质理论研究

【摘要】近几十年以来,有机光电材料因其质轻、价廉、性质可调、能大面积制备等优势在微电子器件中得到了广泛的应用。大量理论和实验研究表明,电荷载流子传输效率是影响有机半导体器件性能至关重要的因素,因此从理论上研究有机半导体材料载流子迁移率对设计和开发具有特殊功能的新型有机光电材料具有重要的理论与实践意义。本论文以几类含硫、氮杂原子的有机小分子光电材料分子设计及载流子迁移率理论模拟为主要研究内容,在分子和晶体水平上深入分析了所研究化合物分子结构(如取代基)、电子性质(如前线分子轨道能级、电离势和电子亲和势)、固态分子堆积模式(如晶体结构)等因素对其电荷传输性质的影响。另外,我们也讨论了取代基对光谱性质的影响。本文研究为设计和合成具有高载流子迁移率和空气稳定性的有机光电材料提供了理论参考。论文主要包括以下四部分内容：1.以蒽并[2,3-c]噻吩(AcTH)为基本结构单元,设计并研究了一系列5,10–取代的蒽并[2,3-c]噻吩衍生物分子结构、电子性质、光学稳定性、内重组能和载流子迁移率等性质。计算结果表明,氰基取代和乙炔化能增强母体化合物分子刚性,是设计低重组能有机半导体材料的有效方法。此外,还利用简单的一维电荷传输模型和半经验的Marcus-Hush电子转移速率理论,在分子水平上评估了化合物AcTH、DCHC-AcTH、DCN-AcTH的空穴迁移率,并与相同条件下Pentacene的预测值进行了比较。结果表明,这三个化合物在同一评估模型中表现出比Pentacene更强的空穴传输能力。尽管模型本身较为简单,但结果预示AcTH、DCHC-AcTH.DCN-AcTH应该是性能良好的空穴传输材料,值得进一步实验研究。2.研究了7,8,15,16-tetraazaterrylene(TAT)及其系列吸电子基(-Cl,-F,-CN)四取代衍生物分子结构、电子性质、光谱性质和电子迁移率等信息。研究发现氟基(-F)、氯基(-C1)、氰基(-CN)等强吸电子基的引入能显著降低化合物前线分子轨道能级和电子注入势垒,提高其氧化-还原稳定性,并且引入这些基团也能增强主电荷传输通道的电子转移积分,从而提高这类材料的电子传输能力。特别是4CN-TAT绝热电子亲和势高达3.599eV,预计是相当稳定的电子传输材料。采用量子校正的Marcus-Levich-Jortner(MLJ)电子转移速率模型结合随机行走模拟和Einstein方程预测了TAT晶体的载流子迁移率。结果表明,TAT单晶室温下(300K)电子迁移率达到3.404×10-2cm2·V-1·s-1。吸收和发射光谱模拟表明,引入吸电子取代基致使最大吸收和发射峰红移,光吸收和发射强度增大,其中最强吸收和发射峰均归属于HOMO和LUMO轨道之间的电子跃迁。3.以2-((10H-benzothieno[3,2-b]indol-2-yl)methylene)malononitrile(BTMN)和2-((11H-benzo[a]carbazol-9-yl)methylene)malononitrile(BCMN)为研究对象,采用量子校正的Marcus-Levich-Jortner(MLJ)电子传输速率模型和Einstein方程,研究了分子晶体BTMN和BCMN的空穴和电子迁移率。结果表明,BTMN晶体空穴迁移率室温下(300K)达到6.387×10-2cm-2·V-1·s-1,电子迁移率达到1.936×10-2cm2·V-1·-1;BCMN晶体空穴迁移率室温下达到2.404×10-1cm2·V-1·s-1,电子迁移率达到1.418×10-1cm2·V-1·s-1.预测结果表明两种分子晶体空穴和电子迁移率均比较大,而且处在同一数量级上。尤其是BCMN,两种载流子迁移率预测值均超过具有实际应用价值的OFET装置载流子迁移率临界值(0.1cm2·V-1·s-1),因此BCMN是非常有应用前景的两极传输材料,值得实验上进一步器件化研究。吸收和发射光谱模拟表明,最强吸收和发射峰均归属于HOMO-1和LUMO轨道之间的电子跃迁,光吸收／发射过程为光诱导的分子内电子在并四环和二氰乙烯基之间的转移过程。4.利用密度泛函理论(DFT)计算结合晶体结构预测和不连续的电荷跳跃模型,在分子和晶体水平上研究了四个氮掺杂二氰基取代的并五苯洐生物(PBD1,PBD2,PBD3,PBD4)分子结构、电子性质、晶体结构及电子传输参数。结果表明,氮原子掺杂及氰基取代不但不会破坏并环体系骨架结构,而且能显著降低体系的HOMO和LUMO分子轨道能级,是设计高空气稳定电子传输材料的合理策略。晶体结构预测表明,所研究化合物在晶体中可沿某些晶轴方向形成近距离的面对面分子堆积。以预测的分子晶体结构为基础,采用传统的Marcus-Hush电荷传输模型和Einstein方程研究了其电子迁移率。结果表明,所研究晶体室温下(300K)具有较高的电子迁移率(0.518～1.052cm2·V-1·s-1),是一类相当有应用前景的电子传输材料,值得实验上进一步合成并器件化研究。迁移率各向异性模拟表明,电子在这些分子晶体中传输时表现出显著的各向异性行为,电子迁移率最大值沿着晶轴方向。
【作者】赵蔡斌；
【导师】王文亮；
【作者基本信息】陕西师范大学，物理化学，2014，博士
【关键词】载流子迁移率；跳跃模型；密度泛函理论(DFT)；各向异性；光谱性质；

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