杂稠芳环n型有机半导体迁移率的理论研究

发布时间：2018-01-26 00:33

本文关键词： 有机半导体电荷迁移率密度泛函理论跳跃模型晶体结构　出处：《南京理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：有机半导体器件相较于传统的无机半导体器件具有制备工艺简单、低成本、功耗小、可弯曲等优点,近年来,有机电子材料包括有机半导体、有机薄膜晶体管、有机太阳电池、有机电致发光器件、有机传感器和有机存储器的研究与应用取得了日新月异的进展,拥有广泛的应用前景。有机半导体可分为p型有机半导体和n型有机半导体,分别对应于电子传输和空穴传输,共同构筑有机互补电路。然而,目前有机半导体的性能,尤其是n型有机半导体仍然无法超越无机半导体。因此,寻求高性能的n型有机半导体是有机电子学需要克服的难题之一。性能良好的n型有机半导体需要满足高度共轭的π电子系统,且电子亲和能较高,近邻分子间的电子波函数有较大重叠等。本论文用密度泛函理论结合跳跃模型,对候选物及其取代衍生物的电荷迁移性质进行了理论研究。研究内容包括以下三个部分:1.用密度泛函理论结合不连续的电荷跳跃模型探究了二萘嵌苯二酰亚胺(PDI)及其氟取代衍生物(2F-PDI,4F-PDI)的电荷迁移性质,对其几何构型、重组能、前线分子轨道、电子亲和能、电离能、转移积分以及各向异性进行了讨论。通过在二萘嵌苯二酰亚胺分子的湾部进行氟取代,p型有机半导体转变成了 n型有机半导体二氟取代的二萘嵌苯二酰亚胺(2F-PDI),以及双极性有机半导体四氟取代的二萘嵌苯二酰亚胺(4F-PDI)。由于具有更低的最低未占据轨道能级及有效的排布方式,二氟取代的二萘嵌苯二酰亚胺电子迁移率为0.33 cm2·V~(-1)·s~(-1)比其相应的空穴迁移率(0.0008 cm2·V~(-1)·s~(-1))大很多。因此,二氟取代二萘嵌苯二酰亚胺可以做为n型有几半导体材料的候选物。在二萘嵌苯为基本骨架的有机半导体引入强吸电子取代基(如氟)是得到高性能n型有机半导体材料的有效方法。另外,三种分子的迁移率均表现出明显的各向异性。空穴及电子的最大迁移率均发生在呈平行的π-π排布的二聚体。2.计算研究四硫环轮烯(DPTTA)以及其吸电子取代基衍生物(DPTTACH3,DPTTACl)的电荷迁移性质,在分子及晶体水平上阐述了电荷迁移率和取代基之间的关系。研究发现,当作为n型有机半导体时,较低且非定域化的最低未占据轨道和较大的电子亲和能有利于其稳定性。重组能和转移积分对电荷迁移率有很重要的影响。三种化合物中,DPTTACH3由于重组能小且呈面对面的π-π排列产生较大的转移积分,因此电子迁移率较大,为0.18cm2·V~(-1)·s~(-1)。从转移积分的角度来看,对电荷迁移起主导作用的跳跃路径具有π-π的作用的平行二聚体。对于各向异性的研究,DPTTACH3电荷迁移率表现出明显的角度相关。3.在分子与晶体的基础上,用密度泛函理论结合电荷跳跃机制对六硫杂并五苯(HTP)及其硒替换衍生物(2Se-HTP,4Se-HTP,6Se-HTP)的几何构型、晶体结构等与电荷迁移率之间的关系,以及用不同数目的硒替换后对电荷迁移性质的影响进行了研究与讨论。HTP的晶体结构来源于剑桥晶体数据库(CCDC),其硒替换晶体结构是在CASTEP用DFT-D方法结合GGA-PBE来优化得到。结果表明,硒替换的分子依然具有良好的平面性且电荷传输过程的结构变化较小,这有利于电荷的传输。从空穴与电子迁移率的结果分析,HTP和6Se-HTP的电子迁移率比空穴迁移率大得多,分别为1.20 cm2·V~(-1)·s~(-1)和2.29cm2·V~(-1)·s~(-1),是很好的电子传输材料,而2Se-HTP与4Se-HTP的空穴与电子迁移率相当,适合作为双极性有机半导体材料。
[Abstract]:This paper studies the charge transport properties of organic semiconductors , including organic semiconductors , organic thin film transistors , organic solar cells , organic electroluminescence devices , organic sensors and organic memories . The electron mobility of HTP and 6Se - HTP is much larger than that of electron mobility . The results show that the electron mobility of HTP and 6Se - HTP is much larger than that of electron mobility . The holes and electron mobility of 2Se - HTP and 4Se - HTP are suitable as bipolar organic semiconductor materials .

【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O649.5

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