有机光电材料分子结构与载流子传输性质关系的理论研究

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有机光电材料的载流子传输性质是影响有机半导体器件性能的重要因素。研究其结构对载流子的传输性质的影响对开发和应用新型有机光电材料至关重要。本论文以几类有机光电材料固态晶体结构的载流子迁移率为主要研究内容,深入探讨了材料的结构(如取代基,共轭π分子体系的大小,分子的堆积模式等)对其传输性质的影响。预测的固态载流子的迁移率与实验值具有可比性,为设计和合成新的具有高载流子迁移性质的有机光电材料提供了理论依据。论文从研究有机光电材料分子的几何结构和电子结构入手,计算了分子的重组能,分析了其在品体结构中主要的传输路径和电荷转移积分,由此预测材料的迁移率。主要包括以下四部分内容:1以三联苯为骨架十字交叉型π共轭体系,其空穴重组均小于电子的,更利于空穴传输;空穴的传输主要是通过三联苯方向上两端苯环的“边对面”的相互作用及分子中心π体系的错位重叠相互作用来实现。取代基不同,其电荷分布有很大区别,引入适当的取代基,更利于电荷的二维离域;引入氰基后,空间位阻增大,传输路径明显减少,但分子间的有效重叠较大,迁移率明显提高,空穴迁移率提高10倍以上,电子迁移率提高近3倍;DDBB与DPDSB传输路径相同,但其空穴迁移率比DPDSB高30倍,电子迁移率高100倍。2蒽类衍生物具有较高的载流子迁移率,理论计算与实验结果相符。由于侧链取代基有较强的分子间范德华力,分子间堆积比较紧密,有利于载流子传输。引入适当的取代基,可以提高载流子的迁移率,同时可以实现材料由空穴传输向电子传输的转变。3含有"chalcogenophene"的杂环芳化合物,在侧链引入对称取代基后,重组能增大,空穴传输积分减小,电子传输积分略有增大;以BTBT为基体的化合物具有更好的电荷传输能力;引入共轭性好的取代基(DNTT),可增大分子的共轭,形成更大的离域π键,形成更密集的分子堆积,更利于分子间电荷的有效传输;引入苯基后,其空间位阻大大增大,虽然通过引入苯基可以提高其共轭能力,但其空间位阻效应对载流子传输的影响更大,因此,引入取代基要同时考虑引入取代基后的共轭效应和空间位阻效应的影响。4不对称杂环并苯Ar-BFC,其HOMO轨道较均匀的分布在整个共轭体系中,而LUMO轨道主要在共面的杂并苯环上;化合物Ph-BFC是很好的双极性材料,引入烷氧基后,其重组能增大,但空穴传输能力增强,而电子的传输能力减弱;对传输能力其决定性作用的是其传输路径。分子间的共面不平行的堆积对电荷传输起决定性作用。
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