基于芴和咔唑衍生物光物理和載流子傳輸性能的理論研究.pdf

1、Π-共軛有機(jī)化合物由于其優(yōu)良的發(fā)光和載流子傳輸性質(zhì)在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、有機(jī)薄膜晶體管(OFET)、有機(jī)光伏電池(OPV)等器件中起重要作用，已成為有機(jī)光電子領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，π-共軛有機(jī)半導(dǎo)體，尤其是含芴和咔唑類共軛結(jié)構(gòu)化合物由于來源廣泛、生產(chǎn)成本低、柔性及可大面積顯示等優(yōu)點(diǎn)成為人們研究的熱點(diǎn)。對材料分子進(jìn)行化學(xué)修飾不僅可以使其有效的抑制非輻射躍遷來提高發(fā)光效率，還可以調(diào)控分子的堆積形式和分子間相互作用來有效提高載流

2、子傳輸速率，進(jìn)而提高光電器件的工作效率。
　　本論文通過量子化學(xué)計(jì)算研究了一系列芴和咔唑衍生物的電子結(jié)構(gòu)、光物理性質(zhì)及載流子傳輸性質(zhì)，為新型有機(jī)光電材料的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。研究內(nèi)容主要由以下三部分組成：
　　1、芴及其芴的衍生物在光電子應(yīng)用方面得到廣泛研究，在芴單元的各種取代不僅會帶來器件性能的改進(jìn)，而且也有一些新的特性。為了深刻理解光物理性質(zhì)和載流子傳輸性能與芴的不同取代之間的關(guān)系，我們采用密度泛函理論系統(tǒng)地研

3、究了一系列在芴的C9位不同取代基的衍生物，即9,9‘-spirobifluorene(SBF)，9,9‘-bifluorenylidene(BFD)和bis(biphenyl-2-2-diyl)allene(BDA)。結(jié)果指出，與芴本身相比，衍生物的芴單元的結(jié)構(gòu)弛豫均減小。通過含時(shí)密度泛函計(jì)算研究了它們的激發(fā)態(tài)和電子振動耦合，我們分析在芴的C9位取代的衍生物的特有的熒光行為，發(fā)現(xiàn)連接兩個(gè)芴單元的中間橋在分子非輻射躍遷過程中起關(guān)鍵作用。另

4、外，通過電離勢、電子親和勢的計(jì)算定性的描述衍生物的載流子注入能力，采用Marcus理論討論了化合物的傳輸性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)BFD是很好的雙極性傳輸材料，BDA可作為具有極好空穴傳輸性質(zhì)的高效發(fā)光構(gòu)筑單元。
　　2、為了提高OPV的能量轉(zhuǎn)換效率，不僅要提高開路電壓(VOC)，而且應(yīng)該同時(shí)提高短路電流(ISC)。因此，尋找具有較高LUMO能級同時(shí)具有較強(qiáng)吸收能力的受體材料是非常有必要的。運(yùn)用密度泛函方法以及semiclassical Ma

5、rcus電荷轉(zhuǎn)移理論計(jì)算了一系列含有99‘BF基團(tuán)的有機(jī)化合物的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、吸收光譜以及傳輸性質(zhì)，在與經(jīng)典的給體材料P3HT和受體材料[60]PCBM進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上估算了這一系列化合物做為受體材料的可能性。我們的計(jì)算結(jié)果表明與[60]PCBM相比，99‘BF衍生物的吸收光譜與太陽光譜吻合得更好。同時(shí)，用P3HT做為給體材料時(shí)，99‘BF衍生物比[60]PCBM具有更高的LUMO能級，有利于提高器件的開路電壓。另一方面，與[60

6、]PCBM相比這些化合物具有更高的載流子遷移率。我們的研究結(jié)果也表明了具有99‘BF骨架的H型化合物具有很好的光物理和電子傳輸性質(zhì)，能夠應(yīng)用于有機(jī)異質(zhì)結(jié)光伏器件中。
　　3、π共軛有機(jī)半導(dǎo)體材料在有機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用,其中咔唑衍生物作為OLED中的空穴傳輸材料而備受關(guān)注。依據(jù)Marcus理論,在密度泛函理論水平下對咔唑衍生物Dibenzo[2,3:5,6]pyrrolizino[1,7-bc]-indolo[l,2,3-lm]c

7、arbazole (DiPICz)的電子結(jié)構(gòu)和載流子傳輸性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。計(jì)算結(jié)果指出,DiPICz的電子遷移率(5.81×10-2cm2·V-1·s-1)反常地高出空穴遷移率(6.02×10-4cm2·V-1·s-1)兩個(gè)數(shù)量級,表明稠合可能是一種潛在的轉(zhuǎn)變傳輸材料極性的手段。分析發(fā)現(xiàn),相對較小的電子重組能和較好的晶體堆積方式是導(dǎo)致DiPICz具有較好電子傳輸性質(zhì)的原因。在其魚骨型堆積的晶體中,存在著滑移的π-π及邊對面的CH…N、C