含杂原子并苯类化合物分子间相互作用及电荷传输性质的理论研究

发布时间：2020-04-22 11:17

【摘要】：并苯类化合物作为典型的有机光电材料,因其具有高的载流子迁移率,在有机器件中有广泛的应用。并苯类分子在环境中的稳定性差,在π-共轭体系中引入杂原子后改变了分子的电子结构,进而改变分子在固体中的堆积方式。在研究中发现:π-共轭体系分子间的非键相互作用对于设计和改进分子在材料的堆积排列方式和电子传输性质至关重要。分子间的相互作用影响电荷在分子间的有效传输,以及分子的重组能。本文以杂环化合物为研究对象,通过对不同梯度密度泛函(DFT)计算的分子间相互作用能(IE),筛选出合适DFT泛函和基组;同时以picene杂原子取代分子为研究对象,研究氧族原子对分子结构、晶体堆积方式、分子间相互作用能以及分子重组能的影响,从而找出不同杂原子取代引起载流子迁移率差异的因素。文章主要内容简述如下:本文第一章主要介绍有机光电材料的优点、并苯类分子研究进展,通过对并苯类分子的调研发现,将杂原子引入孤立分子的共轭主干,可以改善分子的结构、分子间的相互作用以及改变固体材料的载流子传输特性;还可以减少分子的振动能,增加分子的稳定性。同时,介绍了有机半导体的性能评估参数和杂原子取代对于分子结构、分子相互作用能、电荷传输性质的影响。第二章主要介绍了计算涉及到的常用的分子间相互作用能的计算方法以及与电荷传输性能相关的计算方法。本文介绍了第一性方法计算分子间相互作用的优缺点;分子间耦合积分的计算方法;分子的内重组能和分子外重组能常用的模型和计算方法。第三章主要以23种杂环小分子二聚体为研究对象,筛选出精确计算杂环类分子的相互作用的方法和基组。结果显示,色散校正在准确描述弱的分子间力是必不可少的。在研究中考虑的20种泛函中,对于计算IE值,meta-GGA梯度加入VV10校正泛函ωB97M-V表现最好;DFT加入半经验色散校正可以准确描述分子间的弱相互作用力,并且可以降低计算成本。通过对不同基组研究结果表明,在计算杂环化合物二聚体间弱相互作用采用cc-pVTZ基组也可以得到可靠的结果,同时可以降低计算的成本,但是,采用cc-pVTZ基组必须加入CP校正来减少基组重叠误差。第四章主要以硫族原子取代的picene分子为研究对象,研究杂原子取代的分子结构、晶体结构堆积排列方式、重组能以及载流子迁移率,揭示引起载流子迁移率差异可能原因。研究结果表明,杂原子取代picene杂环分子(DNE-W)引起分子结构变化同时改变了分子在晶体中堆积形式。从分子前线轨道能级图来看,S和Se原子掺杂后,HOMO和HOMO-1轨道近乎简并,增加了空穴传输的机率。分子的间距变化,导致分子间的相互作用能发生相应的变化,引起空穴转移积分变化。而杂原子取代后分子外重组能减小,不同分子掺杂导致分子重组能减小程度不同,引起了载流子迁移率的变化。
【图文】：

并五苯,衍生物,结构示意图

能改变分子的结晶性能，同时也引起分子平面刚性和分子的光电性能改变。增加逡逑分子共轭长度有助于改变分子的平面刚性和分子的能隙，以及器件中电子或空穴逡逑注入的难易程度。图１－２中列出了并四苯以及其衍生物。并苯类分子共轭环越多，逡逑共轭性越强，，有利于提高载流子迁移率，例如，在低温条件下，蒽在器件中的迁逡逑移率为Ｏ．Ｃ＾ｃｎＷｉ１；而并四苯在器件中的迁移率为０．１逦而二氯取逡逑代的并四苯（ｔｅｔｍｃｅｎｅ）在器件中的迁移率为据报道红荧烯在逡逑ＯＬＥＤ中的迁移率达到４0Ｃｍ２Ｙ、＿Ｕ９１。并五苯是有机电子材料中应用最广的有机逡逑半导体材料之一，并五苯（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）主要用于有机薄膜晶体管的制备，在微电逡逑子领域，并五苯是一种很有前景的有机化合物，也是工业应用和基础研究的热点。逡逑图１－３中列出了并五苯及其衍生物的结构。逡逑＼＿１邋／逡逑Ｒ逡逑图１－３并五苯及其衍生物的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｃｅｎｅ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ逡逑并五苯主要应用于有机薄膜晶体管（ｏｒｇａｎｉｃ邋ｔｈｉｎ邋ｆｉｌｍ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）制备中，目前，逡逑在室温下，通过利用其单晶来制备的器件最大电子迁移率可以达到３５邋ｃｎ＾Ｖ＋ｓ＇逡逑而同样在室温下，纯单晶制备ＦＥＴ中载流子迁移率为２．２逦２００７年，逡逑Ｏａｎａ邋Ｄ．邋Ｊｕｒｃｈｅｓｃｕ等报道了并五苯在ＦＥＴ中迁移率可以在１５－４０邋ｃｉｔ＾Ｖ＋ｓ＇１范围内逡逑变化１１１］。开发的Ｎ型有机半导体的主要设计策略是实现一个低的空分子轨道逡逑（ＬＵＭＯ）的能量水平

烷基咔唑,并五苯

能改变分子的结晶性能，同时也引起分子平面刚性和分子的光电性能改变。增加逡逑分子共轭长度有助于改变分子的平面刚性和分子的能隙，以及器件中电子或空穴逡逑注入的难易程度。图１－２中列出了并四苯以及其衍生物。并苯类分子共轭环越多，逡逑共轭性越强，有利于提高载流子迁移率，例如，在低温条件下，蒽在器件中的迁逡逑移率为Ｏ．Ｃ＾ｃｎＷｉ１；而并四苯在器件中的迁移率为０．１逦而二氯取逡逑代的并四苯（ｔｅｔｍｃｅｎｅ）在器件中的迁移率为据报道红荧烯在逡逑ＯＬＥＤ中的迁移率达到４0Ｃｍ２Ｙ、＿Ｕ９１。并五苯是有机电子材料中应用最广的有机逡逑半导体材料之一，并五苯（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）主要用于有机薄膜晶体管的制备，在微电逡逑子领域，并五苯是一种很有前景的有机化合物，也是工业应用和基础研究的热点。逡逑图１－３中列出了并五苯及其衍生物的结构。逡逑＼＿１邋／逡逑Ｒ逡逑图１－３并五苯及其衍生物的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｃｅｎｅ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ逡逑并五苯主要应用于有机薄膜晶体管（ｏｒｇａｎｉｃ邋ｔｈｉｎ邋ｆｉｌｍ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）制备中，目前，逡逑在室温下，通过利用其单晶来制备的器件最大电子迁移率可以达到３５邋ｃｎ＾Ｖ＋ｓ＇逡逑而同样在室温下，纯单晶制备ＦＥＴ中载流子迁移率为２．２逦２００７年，逡逑Ｏａｎａ邋Ｄ．邋Ｊｕｒｃｈｅｓｃｕ等报道了并五苯在ＦＥＴ中迁移率可以在１５－４０邋ｃｉｔ＾Ｖ＋ｓ＇１范围内逡逑变化１１１］。开发的Ｎ型有机半导体的主要设计策略是实现一个低的空分子轨道逡逑（ＬＵＭＯ）的能量水平
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.3

【参考文献】