本文關(guān)鍵詞：噻吩及氮雜芳環(huán)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)及載流子遷移率的理論研究

  更多相關(guān)文章： 有機(jī)半導(dǎo)體 密度泛函理論 跳躍模型 載流子傳輸性質(zhì) 硫氮雜芳環(huán) 各向異性

【摘要】：近年來,由于有機(jī)半導(dǎo)體的制作成本低、延展性好、大面積覆蓋以及輕便等優(yōu)點(diǎn)在電子和光電材料領(lǐng)域起到了重要作用。許多p-型有機(jī)半導(dǎo)體可以與非晶硅相媲美,尤其是某些p-型半導(dǎo)體的載流子遷移率都達(dá)到了10cm2·V-1·s-1以上。但是,n-型有機(jī)半導(dǎo)體的載流子遷移率卻很低,尋求高性能n-型有機(jī)半導(dǎo)體是當(dāng)前有機(jī)電子學(xué)的難題之一。本論文以幾類噻吩與富含氮雜環(huán)的有機(jī)半導(dǎo)體材料分子為研究對(duì)象,在預(yù)測(cè)晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體候選分子的載流子遷移率進(jìn)行理論研究；探討分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)與載流子遷移率等性質(zhì)之間的關(guān)系；從微觀上揭示引起遷移率發(fā)生巨大變化的關(guān)鍵因素；極大地提高n-型有機(jī)半導(dǎo)體的研究效率,豐富有機(jī)半導(dǎo)體理論。研究?jī)?nèi)容包括以下七個(gè)部分：1、應(yīng)用密度泛函理論(DFT)研究“葵花型”分子C16S4Se4及其類似物C16Se8的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、前線分子軌道、重組能、轉(zhuǎn)移積分以及各向異性等性質(zhì)�；贑16S4Se4的全硒取代“全硒葵花型”分子C16Se8的最低未占軌道(LUMO)的能級(jí)比較低,有利于電子傳輸。全硒取代的C16Se8具有較低的空穴重組能和較大的空穴轉(zhuǎn)移積分,也有利于空穴的傳輸。新型分子C16Se8的電子和空穴遷移率分別為1.03和1.26 cm2·V-1·s-1,表明C16Se8是一種性能相當(dāng)良好的兩性有機(jī)半導(dǎo)體材料。C16S4Se4的空穴和電子遷移率分別為0.49和0.74 cm2·V-1·s-1,表明C16S4Se4也是一種電子傳輸主導(dǎo)地位的兩性物質(zhì)。兩種新型物質(zhì)C16S4Se4和C16Se8展現(xiàn)出顯著的各向異性行為。新設(shè)計(jì)的“全硒葵花型”C16Se8是一個(gè)有合成價(jià)值的新型有機(jī)半導(dǎo)體。2、在分子和晶體的基礎(chǔ)上,采用DFT和非相關(guān)跳躍模型,研究了六種多噻吩衍生物2,6-二苯基二噻吩[3,2-b：2',3'-d]噻吩(DP-DTT),6,6'-二苯基-2,2'-二噻吩[3,2-b：2',,3'-d]噻吩(DP-BDTT),2,6-五氟苯基對(duì)二噻吩[3,2-b：2',3'-d]二噻吩(FPP-DTT)和6,6'-五氟苯基-2,2'-對(duì)二噻吩[3,2-b：2',3'-d]噻吩(FPP-BDTT),2,6-二五苯基二噻吩[3,2-b：2',3'-d]噻吩(DFP-DTT)口6,6'-二五苯基-2,2'-二噻吩[3,2-b：2',3'-d]噻吩(DFP-BDTT)的氟化效應(yīng)對(duì)電荷傳輸性質(zhì)的影響。其中DP-DTT, FPP-DTT, DP-BDTT, FPP-BDTT四種化合物的結(jié)構(gòu)來源于劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(kù)(CCDC), DFP-DTT和DFP-BDTT的晶體結(jié)構(gòu)由含色散作用的密度泛函理論方法(DFT-D)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在DTT和BDTT外圍的苯基上引入吸電子氟原子能夠降低帶隙,有利于電荷的傳輸。六種化合物中,FPP-BDTT有較大的電子遷移率,主要在于其具有較大的轉(zhuǎn)移積分和較小的電子重組能。有效的π軌道重疊和較小的π-π共軛距離使得化合物DFP-DTT有較好的空穴傳輸性質(zhì)。FPP-BDTT和DFP-BDTT展現(xiàn)出顯著的各向異性行為,并且最大遷移率都是出現(xiàn)在π-π共軛方向上,進(jìn)一步表明氟化效應(yīng)是一種提高電荷傳輸?shù)挠行Х椒ā?、用蒙特-卡洛退火模擬方法結(jié)合靜電勢(shì)電荷對(duì)蒽并四噻吩衍生物(ATT1, ATT2和ATT3)的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),選取其中最穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步用DFT-D方法進(jìn)行優(yōu)化。用上述方法所預(yù)測(cè)的蒽并四噻吩(ATT)晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)晶體結(jié)構(gòu)相吻合,表明所選方法適合于預(yù)測(cè)蒽并四噻吩類分子的晶體結(jié)構(gòu)�；谒A(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)合跳躍模型和DFT計(jì)算,探討了氟原子強(qiáng)吸電子效應(yīng)對(duì)蒽并四噻吩衍生物的分子構(gòu)型、分子間排布方式、遷移率的影響。結(jié)果表明,在ATT分子上引入具有吸電子效應(yīng)的氟原子不但沒有影響骨架分子ATT的平面性,反而降低了最高占據(jù)軌道(HOMO)與LUMO的能隙,這有利于電子注入以及遷移過程的穩(wěn)定性。從ATT到ATT3,電子遷移率的增大是由于分子間有效的排布方式,從而產(chǎn)生強(qiáng)π-π作用且相鄰分子間的質(zhì)心距離較短。能帶結(jié)構(gòu)表明轉(zhuǎn)移積分大的遷移路徑都是沿著價(jià)帶和導(dǎo)帶起伏大的方向。所研究的4個(gè)化合物中,ATT3的電子遷移率達(dá)0.48 cm2·s-1,表明氟取代是提高電子遷移率的有效途徑之一4、為了探究取代基(F和CN)對(duì)苯并[1,2-b：3,4-b'：5,6-b"]三硫茚(BTTP)的載流子傳輸性質(zhì)的影響,系統(tǒng)地研究了BTTP及其五種衍生物BTTP1, BTTP2, BTTP3, BTTP4和BTTP5分子�；贒FT靜電勢(shì)電荷和蒙特-卡洛退火模擬方法預(yù)測(cè)標(biāo)題物的晶體結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上,研究電荷傳輸性質(zhì)。研究表明,幾何結(jié)構(gòu)細(xì)微的變化會(huì)顯著地改變重組能。隨著取代基F原子數(shù)目的增多,BTTP氟化物的重組能增大,不利于電荷傳輸；而引入CN官能團(tuán)時(shí),BTTP氰化物的重組能減小,電子親和勢(shì)增大,有利于電子的傳輸。引入的CN官能團(tuán)增強(qiáng)了相鄰分子間的π-π相互作用,從而增大轉(zhuǎn)移積分。各向異性載流子模擬表明,空穴和電子在BTTP和BTTP4晶體的某一特定的二維平面?zhèn)鬏敃r(shí)表現(xiàn)出明顯的各向異性,最大載流子遷移率的值出現(xiàn)在π-π堆積方向上。在這六種化合物中,BTTP4的電子遷移率高達(dá)1.154 cm2·V-1·s-1,表明BTTP4是一個(gè)具有合成價(jià)值的高性能n-型有機(jī)半導(dǎo)體。5、運(yùn)用跳躍模型和密度泛函理論在分子和晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究了4,4'-雙(全氟苯基)-2,2'-聯(lián)噻唑(PFBT)及其溴代類似物Br-PFBT的載流子的傳輸性質(zhì)。討論了標(biāo)題物的幾何結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)以及載流子遷移率的各向異性行為。研究發(fā)現(xiàn),Br原子的位阻效應(yīng)破壞了PFBT分子的共面性,致使PFBT具有較大的重組能和較小的轉(zhuǎn)移積分,不利于電荷傳輸。PFBT與Br-PFBT晶體中π-π共軛堆積的二聚體具有最大的轉(zhuǎn)移積分值,表明π-π共軛堆積方式是電子和空穴傳輸?shù)闹饕绞�。PFBT的電子遷移率(0.084 cm2·V-1·s-1)大于Br-PFBT (0.034 cm2·V-1·s-1)的電子遷移率,表明在PFBT的噻唑環(huán)上引入Br原子不利于電荷傳輸。6、采用密度泛函理論計(jì)算了1,8：4,5-四羧基二酰丁基烷氧苯基亞胺(NBI1),1,8：4,5-四羧基二酰己基烷氧苯基亞胺(NBI2)和1,8：4,5-四羧基二酰辛基烷氧苯基亞胺(NBI3)的HOMO、LUMO能級(jí),離子化能和電子親合能以及電荷傳輸過程中的重組能與轉(zhuǎn)移積分。研究表明,標(biāo)題物的LUMO能級(jí)較低和絕熱親合能較大,為穩(wěn)定性好的n-型有機(jī)半導(dǎo)體。相鄰分子間形成π-π共軛有利于增大轉(zhuǎn)移積分值,提高電荷遷移率。NBI1和NBI3晶體展現(xiàn)顯著地各向異性的電荷傳輸行為�；诤瑫r(shí)密度泛函理論(TDDFT)計(jì)算的吸收光譜表明可見光區(qū)域中最強(qiáng)的吸收峰主要來源于離域的的HOMO到LUMO的π-π*的躍遷。3種分子晶體的電子遷移率分別為0.0365,0.0312和0.0801 cm2·V-1·s-1。7、基于DFT和非相關(guān)的跳躍模型,研究?jī)煞N新型的有機(jī)半導(dǎo)體5,7,12,14-四雜氮-6,13-五并苯醌(TAPQ5)和1,4,8,11-四雜氮-6,13-五并苯醌(TAPQ7).結(jié)果表明具有較低LUMO能級(jí)的五并苯醌衍生物可作為n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料使用。TAPQ7具有較小的電子重組能和較大的電子轉(zhuǎn)移積分,使其具有相對(duì)較高的電子遷移率,其值達(dá)到1.03 cm2·V-1·s-1。無論是TAPQ5還是TAPQ7,其電荷轉(zhuǎn)移都主要發(fā)生在π-π共軛的相鄰分子之間。TAPQ5和TAPQ7晶體均具有明顯的各向異性遷移率。
【關(guān)鍵詞】：有機(jī)半導(dǎo)體 密度泛函理論 跳躍模型 載流子傳輸性質(zhì) 硫氮雜芳環(huán) 各向異性
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O649.5
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-15
• 1 緒論15-21
• 1.1 有機(jī)半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介15
• 1.2 有機(jī)半導(dǎo)體材料的分類15-18
• 1.2.1 空穴傳輸材料15-16
• 1.2.2 電子傳輸材料16-17
• 1.2.3 雙極性傳輸材料17-18
• 1.3 有機(jī)半導(dǎo)體材料的理論研究18-19
• 1.4 論文的研究意義與研究?jī)?nèi)容19-21
• 1.4.1 論文的研究意義19
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容19-21
• 2 有機(jī)半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)理論與計(jì)算方法21-25
• 2.1 密度泛函理論21
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理21
• 2.1.2 Kohn-Sham方程21
• 2.2 有機(jī)半導(dǎo)體傳輸計(jì)算理論模型21-25
• 2.2.1 能帶模型21-22
• 2.2.2 跳躍模型22-25
• 3 “葵花型”兩性有機(jī)半導(dǎo)體C_(16)S_4Se_4及其硒的類似物C_(16)Se_8的載流子傳輸性質(zhì)25-36
• 3.1 引言25-26
• 3.2 計(jì)算細(xì)節(jié)26-27
• 3.3 結(jié)果與討論27-35
• 3.3.1 幾何和電子結(jié)構(gòu)27-28
• 3.3.2 前線分子軌道28-29
• 3.3.3 電子親和勢(shì),離子化能和重組能29-30
• 3.3.4 轉(zhuǎn)移積分30-32
• 3.3.5 載流子遷移率和各向異性32-34
• 3.3.6 能帶結(jié)構(gòu)34-35
• 3.4 本章小結(jié)35-36
• 4 多氟取代對(duì)多噻吩衍生物載流子傳輸性質(zhì)的影響36-49
• 4.1 引言36-37
• 4.2 計(jì)算細(xì)節(jié)37
• 4.3 結(jié)果與討論37-48
• 4.3.1 晶體和幾何結(jié)構(gòu)37-39
• 4.3.2 重組能39-40
• 4.3.3 前線分子軌道40-42
• 4.3.4 電子親和能與電離能42-43
• 4.3.5 轉(zhuǎn)移積分和分子堆積43-46
• 4.3.6 載流子和各向異性遷移率46-48
• 4.4 本章小結(jié)48-49
• 5 以蒽并四噻吩為骨架的新型有機(jī)半導(dǎo)體載流子傳輸性質(zhì)的研究49-62
• 5.1 引言49-50
• 5.2 計(jì)算細(xì)節(jié)50
• 5.3 結(jié)果與討論50-61
• 5.3.1 幾何構(gòu)型與重組能50-52
• 5.3.2 前線分子軌道,電離能和電子親和能52-54
• 5.3.3 轉(zhuǎn)移積分,堆積方式與分子間作用54-58
• 5.3.4 載流子遷移率和各向異性58-60
• 5.3.5 能帶結(jié)構(gòu)60-61
• 5.4 本章小結(jié)61-62
• 6 六種苯并三硫茚衍生物晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及其載流子傳輸性質(zhì)的研究62-72
• 6.1 引言62-63
• 6.2 計(jì)算細(xì)節(jié)63
• 6.3 結(jié)果與討論63-71
• 6.3.1 幾何和分子結(jié)構(gòu)63-64
• 6.3.2 重組能、離子勢(shì)和電子親和勢(shì)64-65
• 6.3.3 前線分子軌道65-66
• 6.3.4 轉(zhuǎn)移積分與分子間相互作用66-69
• 6.3.5 載流子遷移率和各向異性69-71
• 6.4 本章小結(jié)71-72
• 7 兩種含氟苯基的雙噻唑小分子載流子傳輸性質(zhì)的研究72-82
• 7.1 引言72-73
• 7.2 計(jì)算細(xì)節(jié)73
• 7.3 結(jié)果與討論73-80
• 7.3.1 分子幾何結(jié)構(gòu)與重組能73-75
• 7.3.2 前線分子軌道、電子親和勢(shì)和電離勢(shì)75-77
• 7.3.3 轉(zhuǎn)移積分77-79
• 7.3.4 載流子遷移率和各向異性79-80
• 7.4 本章小結(jié)80-82
• 8 三種烷氧苯基苯酰亞胺衍生物的載流子傳輸性質(zhì)的研究82-94
• 8.1 引言82-83
• 8.2 計(jì)算細(xì)節(jié)83-85
• 8.3 結(jié)果與討論85-93
• 8.3.1 幾何結(jié)構(gòu)和重組能85-87
• 8.3.2 前線分子軌道,電子親合能與離子化能87-88
• 8.3.3 轉(zhuǎn)移積分88-91
• 8.3.4 電荷和各向異性遷移率91-92
• 8.3.5 吸收光譜92-93
• 8.4 本章小結(jié)93-94
• 9 兩種五并苯醌衍生物的載流子傳輸性質(zhì)的研究94-103
• 9.1 引言94-95
• 9.2 計(jì)算細(xì)節(jié)95-96
• 9.3 結(jié)果與討論96-102
• 9.3.1 分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)96-97
• 9.3.2 前線分子軌道和電子親合能97-98
• 9.3.3 重組能98-99
• 9.3.4 轉(zhuǎn)移積分99-100
• 9.3.5 電子遷移率和各向異性100-102
• 9.4 本章小結(jié)102-103
• 10 結(jié)論103-107
• 10.1 論文總結(jié)103-105
• 10.2 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)105-106
• 10.3 問題與展望106-107
• 致謝107-108
• 參考文獻(xiàn)108-123
• 附錄123-124

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 盧利平;;日開發(fā)出高性能液晶性有機(jī)半導(dǎo)體[J];功能材料信息;2009年02期

2 ;日開發(fā)出制作有機(jī)半導(dǎo)體單晶薄膜的新技術(shù)[J];粘接;2011年08期

3 黃美純;;有機(jī)半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理問題[J];廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1961年03期

4 Б.А.克，

本文編號(hào)：763920