蒽类衍生物电子及双极性电荷传输性质的理论研究

发布时间：2020-11-16 05:13

　　 有机半导体材料作为活性层材料,显示出了低成本,便于加工和合成,以及良好的柔韧性等理想的特性,已迅速广泛地应用于有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机半导体传感器和有机光伏电池材料中。这些电子器件的性能主要由有机半导体材料的电荷传输性质决定。因此,具有大载流子迁移率的有机半导体材料一直是研究人员追求的目标。并苯类分子由于线性延展的π-共轭骨架可以增强其块体材料分子间π-轨道重叠,并导致有效的电子或空穴传输,最终使得由其构成的块体材料具有较大的迁移率,因此被广泛研究。其中具有较好的溶解性、易加工和良好的稳定性等特点的并三苯分子,即蒽分子,在近些年被广泛应用和研究,如:三异丙基甲基硅烷基乙炔基蒽衍生物、2-(4-己基苯基乙烯基)蒽、2,6-二苯基蒽等等。但是这些材料主要表现为空穴传输行为,以蒽为骨架的电子或双极性电荷传输材料仍然十分匮乏。首先对于电子传输材料,要求蒽的衍生物具有好的空气稳定性和工业操作稳定性,这是至关重要的一点也是很难达到的一点;对于双极性有机半导体材料,不仅要求材料同时具备空穴和电子的传输能力,还要求材料具有平衡的空穴和电子迁移率。为了获得具有电子传输行为的蒽类衍生物,本论文研究了在蒽核心的9,10-位用三氟甲基(-CF_3)和氰基(-CN)修饰的两系列蒽基衍生物。对它们的电子结构和晶体堆积也进行了分析和比较。基于非相干的电荷跳跃模型,通过量子核隧穿理论评估电荷载流子迁移率。我们的研究结果表明,与相同结构的-CF_3取代蒽9,10-位置的衍生物相比较,-CN取代的蒽衍生物具有更低的LUMO轨道能级(0.45~0.55 eV),对常用的Au电极来说,-CN取代更加利于电子的注入。同时,-CN取代的蒽衍生物具有更大的EA,意味着其有更好的稳定性,但是由于-CF_3可以将前线轨道能级适当地降低,因此可以作为调控双极性材料注入的优良基团。对于与电荷转移速率密切相关的两个参数:重组能和转移积分来说,由于-CN的非键作用,-CN取代的蒽衍生物具有更小的重组能,蒽的9,10-位置上的-CF_3由于空间位阻和F…H作用会破坏蒽的平面刚性,造成结构扭曲,使-CF_3取代的蒽衍生物具有较大的重组能;对于转移积分,-CN取代的蒽衍生物更容易具有较小的滑移距离,易形成紧密堆积,具有大的电子耦合。对于我们研究的分子,用-CF_3取代的系列1的分子和-CN取代的系列2的分子分别具有成为双极性电荷传输材料和n-型电荷传输材料的潜力。含有-CF_3基团的系列1分子中1-B是具有2D传输网络的双极性有机半导体(OSC)材料,其最大空穴、电子的迁移率μ_(h-max)、μ_(e-max)的值分别为1.75和0.47 cm~2 V~(-1) s~(-1),并出现在不同的方向上;具有-CN基团的系列2中的2-A和2-C是优异的n-型OSC候选材料,其最大固有迁移率出现在π-π堆叠方向,它们的值分别为3.74和2.69 cm~2 v~(-1)s~(-1)。此外,应用Hirshfeld表面分析和QTAIM分析揭示了非共价相互作用与晶体堆积之间的关系。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O625.24;TN304
【部分图文】：

匹配度不高等缺陷，常常会造成器件的性能较差，从而限制了对 n-型材料的应用研究。因此其在材料的应用，性能和发展等方面远远滞后于 p-型传输材料。典型的 n-型材料有萘四酰亚胺衍生物（NDI）[20, 21]、苝四酰亚胺（PDI）衍生物[22]、TCNQ[23]、富勒烯[24]、含氰基/羰基/卤素等杂原子并苯衍生物等[25, 26]，如图 1.2。对于双极性电荷传输材料，要保证材料有平衡的空穴和电子传输能力。因此对分子的电子结构和性质有更高的要求。常见的有 Donor-Acceptor 结构的小分子或共聚物[27, 28]，p-/n-型材料掺杂形成的共晶等[29, 30]，如图 1.3 所示。由于在双极性的逻辑互补电路中，n-型有机半导体是不可缺少的重要组成部分，并且双极性材料在有机光电器件中具有成本低、功耗少、制备简单等特点，因此对 n-型和双极性电荷传输材料的研究仍是当前的研究重点。

典型的n-型有机半导体材料

3图 1.3 常见的双极性有机半导体材料1.2 有机半导体材料的主要应用领域有机半导体材料主要应用在有机发光二极管(OLED)，有机场效应晶体管(OFET)，有机太阳能电池(OPVC)，以及有机发光显示器、传感器等领域。以 OLED、OFET 和 OPVC 为例，简要描述其器件组成与工作原理以及有机
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本文编号：2885659