杂原子取代稠环并苯类材料的设计与传输性质的理论研究

作     者：陈向洋 

作者单位：首都师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖奕

授予年度：2014年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：有机半导体材料 n-型 晶体结构预测 电荷传输 DFT-D 

摘      要：有机半导体材料(OSCMs)由于其成本低,材料来源广,可与柔性基底集成,适合低温加工及大批量生产,可溶液加工成膜等优点,目前被广泛应用于有机电致发光二极管(Organic Light Emitting Diodes,OLEDs)、有机太阳能电池(Organic Photovoltaic Cells， OPVCs)、有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)等器件中。然而目前存在的稳定高效率的有机半导体材料仍然比较匮乏,高性能的有机半导体材料的设计与研究值得人们的关注。本论文对于杂原子取代稠环并苯类传输材料的设计与性能预测进行了详细地理论研究。工作主要分以下三部分： 首先,本文从单分子修饰及堆积结构调控两方面综述了目前n型有机半导体材料设计的主要方法。从单分子调控角度看,最有效的方法是在已有的较好的P型有机半导体材料中引入强的吸电子基团,如-F,-Cl,-CN,-NO2,-C=O等。从堆积结构的调控方面看,通常采用增加分子间极化、增加分子C/H比、引入杂原子以增加分子间氢键及卤素-卤素或硫-硫等弱相互作用几个主要途径。 在第二项工作中,本文通过引入F取代烷基链,二酰亚胺基团以及母体环中嵌入N原子,设计出7种吸电子取代基修饰的DBTTF系列衍生物,并讨论了它们的电子传输性质。目前传输性质预测所面临的巨大难题是晶体堆积结构未知。为得到化合物的堆积结构,本文中提供了一种高效率小分子簇模型辅助筛选,高精度量子化计算的晶体结构预测新方法,简称为SCM-DFT&D方法。该方法对TTF系列衍生物晶体结构的预测取得了很好的结果,理论模拟得到的结构与实验堆积结构拟合率均达90%以上。同时,该方法还可以预测出其它可能的同分异晶结构,为实验设计合成提供一定的理论指导。基于堆积结构预测结果,本文讨论了化合物的电子传输性质,并计算了化合物5-8的电子迁移率值,分别为6.6×10-2cmV-1S-1(5a),2.8×10-1cm2V-1S-1(5b),4.2×10-2cm2V-1S11(6a),4.3×10-1cm2V-1S-1(6b),1.6×10-1cm2V-1S-1(7c)和7.8×10-2cm2V-1S-1(8a)。 在最后一部分工作中,我们研究了五种硅烷基乙炔基取代的并噻吩化合物,计算了它们的前线分子轨道能级,电离能,重组能,转移积分和迁移率值,从理论上说明其传输性能不同的主要原因是堆积结构造成的。Tips-TBT和Tips-PEN两种化合物具有相似的传输性能。为合理解释其传输性能,本文借助SCM&DFT-D方法,对两种化合物堆积结构进行了理论预测,成功得到了实验报道的堆积结构和另一种可能存在的同分异晶化合物的堆积结构,为进一步的有机半导体材料的设计提供理论指导。