【摘要】：有機(jī)半導(dǎo)體材料因其特有的性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管、有機(jī)光電二極管和有機(jī)光伏等器件中,各器件的工作性能都與有機(jī)半導(dǎo)體材料中載流子的遷移率有關(guān)。遷移率是一個(gè)重要的宏觀物理參數(shù),是表征材料光電性能的最基本參數(shù)。本論文將從第一性原理出發(fā),基于全量子的電荷轉(zhuǎn)移速率理論,利用蒙特卡羅方法得到擴(kuò)散系數(shù),并根據(jù)愛因斯坦公式得到載流子遷移率。該方法是考慮了核隧穿效應(yīng)的跳躍模型,可以描述電荷傳輸?shù)倪^程。我們進(jìn)一步探討了影響載流子遷移率的因素并深入理解電荷傳輸?shù)臋C(jī)理。我們首先研究了分子的側(cè)鏈取代基對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸性質(zhì)的影響。重組能和轉(zhuǎn)移積分是影響電荷轉(zhuǎn)移速率兩個(gè)重要的理論參數(shù)。取代基對(duì)轉(zhuǎn)移積分的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)重組能的影響�；谕惞曹椆羌�,若僅從取代基對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料堆積方式的影響來說,可以將取代基效應(yīng)分為兩種,一種是取代基的引入改變分子堆積方式,另一種是不改變分子堆積。我們先后考察了這兩種取代基效應(yīng)對(duì)電荷傳輸性質(zhì)的影響。通過考察分子幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)、分子間堆積模式與電荷傳輸性能之間的關(guān)系,為設(shè)計(jì)新型高效傳輸材料提供理論依據(jù)。對(duì)于不改變分子堆積模式的取代基效應(yīng),我們分別考慮了?-?堆積和魚骨狀堆積兩種堆積方式的烷基鏈體系。研究發(fā)現(xiàn),遷移率隨烷基鏈長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)是有規(guī)律的。受堆積方式影響,即對(duì)于?-?堆積,遷移率隨鏈長(zhǎng)增長(zhǎng)而減小,魚骨狀堆積則正相反。近來,給受體雙組分雙極性有機(jī)半導(dǎo)體材料因有望應(yīng)用于互補(bǔ)電路和光電晶體管而受到廣泛關(guān)注。在分子水平上,其電荷傳輸過程涉及直接的空間耦合和超交換耦合。對(duì)于只有直接的空間耦合的雙組分雙極性有機(jī)半導(dǎo)體材料,其電荷傳輸只與同組分的性質(zhì)有關(guān)。我們研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于硫橋環(huán)輪烯/富勒烯混合晶體,分子間耦合主要發(fā)生在同類型分子間,并且富勒烯一條傳輸路徑有多種耦合方式。而對(duì)于存在超交換耦合的材料,電子傳輸(空穴傳輸)與作為橋連接的給體分子(受體分子)的性質(zhì)有關(guān)。我們用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到堆積構(gòu)型的漲落,利用超交換作用得到分子間轉(zhuǎn)移積分的漲落,并利用動(dòng)態(tài)蒙特卡羅模擬得到遷移率,考察了動(dòng)力學(xué)漲落對(duì)雙組分雙極性半導(dǎo)體材料硫橋環(huán)輪烯/四氰基對(duì)醌二甲烷電荷傳輸性質(zhì)的影響。我們發(fā)現(xiàn),核隧穿會(huì)導(dǎo)致“類能帶”傳輸行為,并且動(dòng)態(tài)無序會(huì)進(jìn)一步降低遷移率。
[Abstract]:Organic semiconductor materials have been widely used in field effect transistors, organic photodiode and organic photovoltaic devices because of their unique properties. The working performance of each device is related to the carrier mobility in organic semiconductor materials. Mobility is an important macroscopic physical parameter and the most basic parameter to characterize the photoelectric properties of materials. In this paper, based on the first principle, based on the full quantum charge transfer rate theory, the diffusion coefficient is obtained by Monte Carlo method, and the carrier mobility is obtained according to Einstein's formula. This method is a jump model considering the nuclear tunneling effect, which can describe the process of charge transfer. We further discuss the factors affecting carrier mobility and deeply understand the mechanism of charge transfer. We first study the effect of the side chain substituents of the molecules on the charge transfer properties of organic semiconductors. Recombination energy and transfer integral are two important theoretical parameters affecting charge transfer rate. The influence of the substitution group on the transfer integral is much greater than that on the recombination energy. Based on the same kind of conjugated skeleton, if only from the effect of substitution group on the stacking mode of organic semiconductor materials, the substitution group effect can be divided into two kinds, one is the introduction of substitution group to change the molecular stacking mode, the other is not to change the molecular stacking mode. The effects of these two substituted radical effects on charge transfer properties have been investigated one after another. The relationship between molecular geometric structure, electronic structure properties, intermolecular stacking mode and charge transfer performance is investigated, which provides a theoretical basis for the design of new and efficient transport materials. For the substitution effect that does not change the molecular stacking mode, we consider it separately. The alkyl chain system of accumulation and fish bone accumulation. It is found that the mobility varies regularly with the length of alkyl chain. Affected by the way of stacking, that is, for Accumulation and mobility decreased with the increase of chain length, while fish bone accumulation was the opposite. Recently, two-component bipolar organic semiconductor materials for receptors have been widely concerned because they are expected to be used in complementary circuits and phototransistors. At the molecular level, the charge transfer process involves direct spatial coupling and hyperexchange coupling. For bipolar organic semiconductors with only direct spatial coupling, the charge transfer is only related to the properties of the same component. It is found that the intermolecular coupling mainly occurs between the same type of molecules for the mixed crystal of sulfur-bridged cyclic rotene / fullerene, and there are many coupling modes for the transmission path of fullerene. For materials with hyperexchange coupling, electron transport (hole transport) is related to the properties of donor molecules (receptor molecules) as bridge connections. The fluctuation of stacking configuration is obtained by molecular dynamics simulation, the fluctuation of intermolecular transfer integral is obtained by hyperexchange, and the mobility is obtained by dynamic Monte Carlo simulation. The effect of dynamic fluctuation on charge transfer properties of bipolar semiconductor material thio-bridged cyclic rotene / tetracyanyl group on quinodimethane is investigated. We find that nuclear tunneling will lead to "band-like" transmission behavior, and dynamic disorder will further reduce mobility.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304.5

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本文編號(hào)：2502505