雜稠芳環(huán)n型有機半導(dǎo)體遷移率的理論研究.pdf

1、有機半導(dǎo)體器件相較于傳統(tǒng)的無機半導(dǎo)體器件具有制備工藝簡單、低成本、功耗小、可彎曲等優(yōu)點，近年來，有機電子材料包括有機半導(dǎo)體、有機薄膜晶體管、有機太陽電池、有機電致發(fā)光器件、有機傳感器和有機存儲器的研究與應(yīng)用取得了日新月異的進展，擁有廣泛的應(yīng)用前景。有機半導(dǎo)體可分為p型有機半導(dǎo)體和n型有機半導(dǎo)體，分別對應(yīng)于電子傳輸和空穴傳輸，共同構(gòu)筑有機互補電路。然而，目前有機半導(dǎo)體的性能，尤其是n型有機半導(dǎo)體仍然無法超越無機半導(dǎo)體。因此，尋求高性能的n

2、型有機半導(dǎo)體是有機電子學(xué)需要克服的難題之一。性能良好的n型有機半導(dǎo)體需要滿足高度共軛的π電子系統(tǒng)，且電子親和能較高，近鄰分子間的電子波函數(shù)有較大重疊等。本論文用密度泛函理論結(jié)合跳躍模型，對候選物及其取代衍生物的電荷遷移性質(zhì)進行了理論研究。研究內(nèi)容包括以下三個部分:
　　1.用密度泛函理論結(jié)合不連續(xù)的電荷跳躍模型探究了二萘嵌苯二酰亞胺(PDI)及其氟取代衍生物(2F-PDI，4F-PDI)的電荷遷移性質(zhì)，對其幾何構(gòu)型、重組能、前線分

3、子軌道、電子親和能、電離能、轉(zhuǎn)移積分以及各向異性進行了討論。通過在二萘嵌苯二酰亞胺分子的灣部進行氟取代，p型有機半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成了n型有機半導(dǎo)體二氟取代的二萘嵌苯二酰亞胺(2F-PDI)，以及雙極性有機半導(dǎo)體四氟取代的二萘嵌苯二酰亞胺(4F-PDI)。由于具有更低的最低未占據(jù)軌道能級及有效的排布方式，二氟取代的二萘嵌苯二酰亞胺電子遷移率為0.33 cm2·V-1·s-1，比其相應(yīng)的空穴遷移率(0.0008 cm2·V-1·s-1)大很多。因

4、此，二氟取代二萘嵌苯二酰亞胺可以做為n型有幾半導(dǎo)體材料的候選物。在二萘嵌苯為基本骨架的有機半導(dǎo)體引入強吸電子取代基（如氟）是得到高性能n型有機半導(dǎo)體材料的有效方法。另外，三種分子的遷移率均表現(xiàn)出明顯的各向異性?？昭半娮拥淖畲筮w移率均發(fā)生在呈平行的π-π排布的二聚體。
　　2.計算研究四硫環(huán)輪烯(DPTTA)以及其吸電子取代基衍生物(DPTTACH3，DPTTACl)的電荷遷移性質(zhì)，在分子及晶體水平上闡述了電荷遷移率和取代基之間的

5、關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作為n型有機半導(dǎo)體時，較低且非定域化的最低未占據(jù)軌道和較大的電子親和能有利于其穩(wěn)定性。重組能和轉(zhuǎn)移積分對電荷遷移率有很重要的影響。三種化合物中，DPTTACH3由于重組能小且呈面對面的π-π排列產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)移積分，因此電子遷移率較大，為0.18 cm2·V-1·s-1。從轉(zhuǎn)移積分的角度來看，對電荷遷移起主導(dǎo)作用的跳躍路徑具有π-π的作用的平行二聚體。對于各向異性的研究，DPTTACH3電荷遷移率表現(xiàn)出明顯的角度相關(guān)。<

6、br>　　3.在分子與晶體的基礎(chǔ)上，用密度泛函理論結(jié)合電荷跳躍機制對六硫雜并五苯(HTP)及其硒替換衍生物(2Se-HTP,4Se-HTP，6Se-HTP)的幾何構(gòu)型、晶體結(jié)構(gòu)等與電荷遷移率之間的關(guān)系，以及用不同數(shù)目的硒替換后對電荷遷移性質(zhì)的影響進行了研究與討論。HTP的晶體結(jié)構(gòu)來源于劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(CCDC)，其硒替換晶體結(jié)構(gòu)是在CASTEP用DFT-D方法結(jié)合GGA-PBE來優(yōu)化得到。結(jié)果表明，硒替換的分子依然具有良好的平面性且電荷