有机器件与改性石墨烯电学性质的理论研究

作     者：周业成 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张浩力;邓伟侨

授予年度：2013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] 070301[理学-无机化学] 

主      题：有机半导体 石墨烯 第一性原理 密度泛函(DFT) 功能化石墨烯 电荷输运 光电响应 气体吸附 

摘      要：本文结合实验,利用第一性原理对有机半导体器件以及改性石墨烯的电学性质进行了研究。重点考察了有机半导体中电荷的输运性质与分子结构堆积形式等因素之间的关系：对掺杂石墨烯的电学性质进行了研究,揭示了掺杂石墨烯与碳纳米管和石墨烯纳米带有着类似的3N规律,考察了物理和化学修饰石墨烯的电学性质。文章的主要内容如下： 1.在以往工作基础之上,提出了一种计算薄膜中电荷迁移率的新方法,并利用此方法对并四苯,并五苯以及红荧烯的薄膜迁移率进行了模拟。该方法得出计算结果与实验基本一致,证明我们的方法是可靠的。同时还研究了此计算方法对计算基组的依赖性,结果表明该方法具有很好的稳定性,利用小的基组也可以得到可靠的迁移率,这样可以大大地减小模拟的计算量。 2.采用不同计算有机半导体材料迁移率方法对CnBTBT分子的晶体中电荷传输行为进行了研究,探讨了这些方法的区别与优劣。讨论了各种机制对电荷传输的影响。对比实验结果,指出了Marcus理论的局限性以及热振动对电荷传输的影响。 3.利用上述薄膜迁移率计算方法计算了我们实验室已合成的氮杂并五苯及其衍生物的薄膜电荷传输性质,结果表明随着氮原子的加入,器件的电子传输能力上升,而空穴传输能力下降。进一步的分析可知影响器件中电子与空穴传输能力的主要因素为电荷从电极到有机半导体的注入势垒的变化。 4.研究了系列s-indaceno [1,2-b:5,6-b’] dithiophene-4,9-dione衍生物器件中分子堆积形式对器件中电荷传输性质的影响,得到了与实验相符的实验结果。为解释同一共振结构,不同结构的器件拥有不同迁移率的实验现象提供了理论支持。 5.考察了一系列B. N,AI, S, Si, P掺杂的石墨烯的能带以及态密度(Density Of States, DOS),首次揭示了掺杂石墨烯中存住3N规律。即当参杂石墨烯的晶胞是3Nx3N的时候,掺杂石墨烯的能带在Dirac点附近能带间隙为零或者是近似为零,而其他情况下则存在比较大的能带间隙。 6.我们利用了第一性原理研究了不同类石墨烯材料的CN聚合物的电子结构,发现不同方法合成的CN聚合物具有不同的能级结构,并能够很好地组建异质结进行光催化。 7.我们利用了第一性原理的方法研究了CH3NH2分子住石墨烯表面的物理吸附对石墨烯功函数、费米能级、带隙等的影响。计算结果表明,物理吸附的CH3NH2分子对石墨烯各种性质的影响很小。 8.结合实验研究了化学修饰石墨烯的光电响应特性。模拟结果表明不同分子修饰的石墨烯具有相似的能带,也就意味着它们具有相似的波长响应性质。进一步分析揭示,大气条件下,不同修饰墨烯对O2分子的吸附与光致解吸附能力不同,导致了不同的光电响应。