π共轭和氮杂类有机半导体材料载流子传输性质研究

论文摘要

在论文中,以量子力学计算方法为研究基础,采用密度泛函理论和Marcus-Hush转移理论模型模拟了π共轭和氮杂类有机半导体材料分子的载流子传输性质。论文主要包含下面的五个部分。（1）嵌二萘衍生物是一种应用广泛的有机半导体材料分子。研究了12种在中心骨架分子不同的位置上引入不同数量取代基的嵌二萘衍生物分子的载流子迁移性质,基于分子单晶结构和不连续的电荷跳跃传输模型计算了晶体的载流子迁移率,揭露分子自身结构变化和迁移率之间的关系。其中在2,7位置上引入二苯基取代的嵌二萘衍生物分子的空穴迁移率高达2.95 cm2V-11 s-1,在4,5位置引入噻二唑嵌二萘衍生物的电子迁移率达到6.24 cm2V-11 s-1。计算结果和实验数据是一致的,说明Marcus模拟传输模型对于嵌二萘衍生物的计算是适用的。结论认为有机半导体分子中的电荷传输性质受到分子上引入的取代基团影响。（2）使用量化计算方法探究电荷传输机制对于分子的晶体堆积结构的定向依赖性。高转移积分和低重组能的π堆积晶体结构的有机半导体材料有着更佳的电荷传输性质。在传输路径上的电荷传输积分的高低归因于跃迁结构的参数变化。半经典的Marcus计算模型从晶体结构的一维扩展到了三维的方向上。考虑空间中的所有方向上的有效转移积分计算得到的迁移率比仅考虑平面的迁移积分计算的迁移率要准确。（3）研究了二聚体模型和分子间相互作用对载流子传输的影响。考虑分子间相互作用和电荷耦合积分的综合效果下的计算结果,在一个跃迁方向上同时存在π-π跃迁结构和强分子间相互作用时,它们之间会产生协同作用进而增加分子间的迁移积分,也就是说分子间相互作用对电荷传输的变化有影响,在所有相互作用中,π堆积产生的相互作用起主导作用。在分子间相互作用分析中,弱相互作用氢键在分子间静电相互作用中扮演很重要的角色。（4）系统研究了1,3,6,8-tetraazapyrene（TAPy）四氮杂芘衍生物的电荷传输性质。在不打乱分子平面骨架结构的前提下,计算晶体结构下的各向异性迁移率和引入不同吸电子能力的基团对电荷传输性质的影响。结果显示在分子中引入卤族元素会降低分子的最低空轨道LUMO的能级,并提高分子的n型半导体性质的稳定性。分子的重组能和耦合积分结果都证明引入吸电子基团之后TAPy衍生物分子的电子迁移率很高,很有可能会从p型半导体变化为有潜力的n型半导体分子。同时,用主方程近似法计算的随角度变化的各向异性迁移率结果证明最大迁移率数值出现的方向正好就是最大迁移积分数值的方向。（5）在掺杂物分子的界面上,电荷转移的程度取决于分子间堆积方式,HOMOD-LUMOA差值,供体电离势和受体亲和势的差值以及二聚体中轨道相互作用的大小。为了更好地理解掺杂物晶体中的电荷传输性质,建立一个结合半经典Marcus理论和分子动力学模拟的计算模型,计算的结论与实验结果一致的迁移率结果。基于复合物TTF-TCNQ的晶体结构在各向异性和随机行走两个模型中计算的平均和最大迁移率数值分别为0.21和4.59 cm2V-1S-1,和实验测试结果一致,此外在TTF-TCNQ的分子界面上预测的独特的金属导电性质的电阻为4.43 k?。对比单体的供体和受体分子,复合物晶体有着较高的迁移率和导电性。本论文的理论模拟研究证明了适当调整分子本身结构和二聚体跃迁结构对提高晶体的电荷传输性质很重要。论文创新性地针对不同的π共轭和氮杂类有机分子采用不同的计算方法,例如费米黄金规则下的全量子理论方法和量子校正的Marcus理论方法,对分子跃迁路径和分子间相互作用的合并研究有利于设计合成高性能的半导体材料,同时研究结果也为提高有机半导体的迁移率和制备更高性能的电子器件提供了理论支持。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章前言

1.1 有机半导体材料的发展历程

1.2 应用有机半导体传输材料的光电器件

1.2.1 有机场效应晶体管（OFET）

1.2.2 有机光伏太阳能电池（OPV）

1.2.3 有机发光二极管（OLED）

1.3 有机半导体材料的分类

1.3.1 空穴（p型）传输材料

1.3.2 电子（n型）传输材料

1.3.3 双极性传输材料

1.4 选题的研究意义和内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

第二章理论基础和计算模型

2.1 量子力学理论基础

2.1.1 量子力学中的五个基本假设

2.1.2 密度泛函理论（Density Functional Theory DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）

2.2 光物理和光化学过程

2.2.1 光物理过程

2.2.2 光化学过程

2.3 有机材料中分子间载流子传输模型

2.3.1 能带模型（band like model）

2.3.2 跳跃模型（hopping model）

2.3.3 极化子模型（polaron model）

2.4 二聚体中相互作用分解过程（EDA）

2.5 计算软件介绍

2.5.1 Materials Studio（MS）

2.5.2 Gaussian16（高斯16）

2.5.3 DUSHIN

2.5.4 Amsterdam Density Functional（ADF）

第三章嵌二萘衍生物电荷传输性能的研究

3.1 理论方法和计算模型

3.1.1 计算模型

3.1.2 电荷转移积分

3.1.3 重组能

3.2 结果和讨论

3.2.1 前线分子轨道,电离势和亲和势

3.2.2 重组能分析

3.2.3 迁移积分分析

3.2.4 各向异性迁移率

3.3 本章小结

第四章 π共轭有机分子各向异性载流子传输机制研究

4.1 理论方法

4.2 结果和讨论

4.2.1 分子轨道MOs,IPs,EAs和重组能分析

4.2.2 分子堆积结构和迁移积分

4.2.3 载流子各向异性迁移率

4.3 本章小结

第五章堆积结构和分子间相互作用对电荷传输性质的影响

5.1 理论方法和计算细节

5.1.1 计算软件

5.1.2 理论方法

5.2 模拟结果和讨论

5.2.1 重组能和前线分子轨道能量

5.2.2 典型的分子堆积结构模型

5.2.3 模拟的跃迁结构和载流子迁移率

5.2.4 AB和它的类似物的分子间相互作用分析

5.2.5 氢键相互作用分析

5.2.6 相互作用能量分解

5.3 本章小结

第六章二聚体跃迁类型和吸电子基团对1,3,6,8取代的四氮杂芘衍生物传输性能的影响

6.1 计算模型和细节

6.1.1 计算模型

6.1.2 计算细节

6.2 结果和讨论

6.2.1 HOMO和 LUMO、电离势IP、亲和势EA和重组能

6.2.2 电荷转移积分,ETS-NOCV轨道分析和键能量化分解

6.3 跃迁结构,载流子迁移率和光物理性质

6.4 本章小结

第七章复合物分子晶体中的载流子传输和金属传导性质研究

7.1 理论分析和计算方法

7.1.1 键能分解分析（EDA）和ETS-NOCV方法

7.1.2 载流子计算方法

7.1.3 复合物界面的电阻计算

7.2 结果和讨论

7.2.1 电荷转移的量化计算结果

7.2.2 分子间相互作用的分解

7.2.3 电荷传输迁移率的计算

7.2.4 在复合物分子界面上的电阻

7.3 本章小结

第八章总结与展望

参考文献

致谢

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 时雅瑞

导师: 刘玉芳

关键词: 有机半导体,电荷传输性质,密度泛函理论,载流子迁移率

来源: 河南师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 河南师范大学

分类号: O413.1;TN304

DOI: 10.27118/d.cnki.ghesu.2019.000219

总页数: 156

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π共轭和氮杂类有机半导体材料载流子传输性质研究

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