吡咯并吡咯二酮与低聚噻吩共聚物电荷传输性质的理论研究

利用密度泛函理论对吡咯并吡咯二酮(DPP)与噻吩形成共聚物的低聚物(PDPP-n T)m的电子结构及二体堆积模型的电荷传输性质进行计算.结果表明,随着聚合物单元内DPP浓度增加,噻吩数减少,聚合物分子的HOMO和LUMO能级同时降低,并且HOMO-LUMO带隙变小;链内相邻DPP单元的电子波函数有效重叠增大,显著改善了链内的电子传输能力;同时分子主链的刚性增强,使分子链间LUMO轨道重叠增强,电子转移积分增大;最终体系由p型向双极性材料转化.     

共轭聚合物薄膜中光生载流子的产生及输运机制

对共轭聚合物光生载流子的产生机制进行了初步探讨,分析了由最初产生的电子 空穴对经过晶格驰豫之后形成极化子 激子的热离化过程,认为同一链上的激子会迅速复合,只有链间激子对光电流作出贡献.研究了共轭聚合物中载流子的输运机制,导出了共聚物的电导率公式,其计算值与实验结果符合,我们认为是极化子的链间跃迁实现了整个共聚物的电导和光致发光,较好地解释了实验事实.     

基于苯并二噻吩和齐聚噻吩衍生物的光电性质理论研究

设计研究了以苯并二噻吩、齐聚噻吩为构筑单元,利用构筑单元间不同的连接方式构造的9个模型化合物,在pbe0/6-31G(d)水平上进行结构优化并计算分子的前线轨道、电离能、电子亲和势和重组能.利用重组能分析了设计分子的载流子传输能力.在TD-DFT水平上模拟了设计分子的吸收光谱.研究结果表明,设计分子光谱及传输性能与构筑单元间的连接方式紧密相关.当最长的齐聚噻吩连接在并噻吩上时具有最小的HOMO-LUMO能隙,最大吸收波长最长,且吸收强度大,是好的双极性传输材料.     

蒽类衍生物的电荷传输性质

以具有较高迁移率的对称取代类蒽的衍生物{2,6-二[2-(4-戊基苯基)乙烯基]蒽,DPPVAnt;2,6-二-噻吩蒽,DTAnt;2,6-二[2-己基噻吩]蒽,DHTAnt}为研究对象,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)的基组水平上研究了三种蒽类衍生物的分子结构、电子结构、重组能和电荷传输积分,采用Einstein关系式计算了室温下的载流子迁移率,并与蒽的相关计算结果进行了比较.DPPVAnt是较好的空穴传输材料,其空穴迁移率为0.49cm2·V-1·s-1;DHTAnt有利于电子传输,其电子迁移率为0.12cm2·V-1·s-1;而DTAnt是一种较好的双极性材料,其空穴迁移率和电子迁移率分别为0.069和0.060cm2·V-1·s-1.计算得到的迁移率与实验结果处于同一数量级.三种蒽类衍生物的电子重组能与蒽的相近,而空穴重组能均大于蒽的空穴重组能,大小顺序为蒽DPPVAntDTAntDHTAnt.这与计算的迁移率结果不一致,说明分子的堆积结构决定材料的电荷传输性质.     

硅杂环戊二烯衍生物电子结构与光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G*方法, 对2,5位取代的硅杂环戊二烯(Silole)系列衍生物进行几何结构优化, 通过计算得到电离能、电子亲和势、空穴抽取能及电子抽取能等相关能量, 并使用TD-DFT方法研究其吸收光谱, 分析相关能量及光谱的变化规律. 采用单组态相互作用(CIS/6-31G*)方法优化得到它们的最低单重激发态(S1)结构, 在此基础上, 使用TD-DFT方法计算对应的发射光谱. 分析2,5位芳基取代硅杂环戊二烯衍生物(DADPS)激发态与基态的结构差异及原因, 研究前线分子轨道的分布情况, 并讨论发光特征及载流子传输性能. 研究结果表明, 激发态结构弛豫主要发生在Silole环和直接与2,5位芳基相连的部位; 前线轨道主要分布在Silole环和2,5位芳基上; 二吡咯取代物有望成为空穴传输材料, 二噻吩取代物和二呋喃取代物有望在发光器件中表现出较高的发光效率.     

紧束缚模型方法及其在DNA分子中的应用

近年来,紧束缚模型方法被广泛应用于计算生物大分子体系.本文从第一性原理出发,根据紧束缚近似的思想,推导出生物大分子体系中的单电子运动方程.在此基础上给出了紧束缚模型方法中所涉及参数(在位能和迁移积分)的计算公式,在理论上完善了紧束缚模型方法.我们将所提出的参数化方法应用于理想B型DNA分子,给出了各种序列组合下的在位能和迁移积分.此外,我们还计算了周期性DNA分子poly(A)-poly(T)和poly(G)-poly(C)中空穴在位能和迁移积分随格点间距离的变化,为改进现有的SSH极化子模型提供了新的思路,有助于DNA中电荷输运的极化子机理的研究.     

不同桥联二噻吩低带隙给受体共聚物的电子结构和光物理性质的理论研究

本文主要是通过分析吸收光谱性质来区分用于体异质结聚合物太阳能电池的两种不同桥联低带隙给受体共聚物PCPDTBT和PSBTBTS的激发态特征,进而通过分析电荷转移态（CT）特征来区分二者实现电荷分离的难易程度. 利用密度泛函理论(DFT/TD-DFT)B3LYP和CAM-B3LYP方法计算PSBTBT和PCPDTBT(n=1~4)的电子结构和光谱性质. 结果表明,从吸收光谱来看,PSBTBT与PCPDTBT的光谱相似,与太阳光谱的匹配能力相当. 而激子解离能表明二者的电荷转移态（CT）电荷分离的难易程度也相当. 然而用Si原子取代C原子后,C-Si键长明显长于C-C键长,降低了噻吩环和烷基链间的空间位阻,从而可能有利于其结晶度的提高,更加有利于载流子的传输,因此从理论上说明PSBTBT也可能具备高效太阳能电池给体材料的潜质.     

二邻苯二胺合镍(Ⅱ)载流子传输性能的理论研究

利用密度泛函理论UB3LYP方法, 对二邻苯二胺合镍(Ⅱ)(PHDANI)的基态和离子态几何结构进行全优化, 模拟其双自由基特性. 运用势能面曲线法计算了PHDANI的空穴和电子重组能. 从晶体结构中选出所有可能最近的载流子传输路径, 计算相应的传输积分, 结合Marcus电荷转移理论探讨PHDANI的载流子传输性质. 计算结果表明, 在单重态双自由基特性下, 空穴和电子的迁移率分别达到0.253和0.135 cm²·V^-1·s^-1, 空穴和电子传输迁移率都很高且能达到平衡, 从理论层面上阐明了PHDANI可以作为很好的双极性传输材料.     

实验与理论研究G-四链体中鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应

G-四链体传输空穴的特殊性质使其有望应用于发展分子电子器件.由于鸟嘌呤自由基阳离子（G^·+）脱质子反应会中断空穴传递,影响传递效率,我们对G-四链体AG₃（T₂AG₃）₃中G^·+脱质子过程展开了理论与实验的研究.根据瞬态紫外可见吸收光谱,确定了脱质子产物是G（N（2）-H）^·;通过测量不同温度下G^·+脱N（2）-H质子的速率常数,得到脱质子活化能为20.0±1.0 kJ/mol.进而,采用显性水和连续溶剂化模型相结合的方法模拟G-四链体中G^·+脱质子环境,在M062X/6-31G（d）水平上得到了脱质子势垒（26.4 kJ/mol）.结合实验值,理论计算的势能面描述了G-四链体中G^·+脱N2-H的过程.这些结果为G-四链体在电子器件方面的应用提供了重要依据和指导.     

苯-噻吩低聚物电子结构及载流子传输性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-31G(d)方法对以低聚噻吩为端基、 苯并二噻吩(TPT)和并三噻吩(TTT)为共轭桥、 炔键为连接臂的20个模型化合物进行了计算研究. 在优化中性与离子态几何构型基础上, 获得了前线轨道能级、 电离能(IPs)、 电子亲和势(EAs)、 空穴/电子重组能(λ_h/λ_e)、 载流子迁移率(μ_h/μ_e)及吸收光谱等信息. 结果表明, 炔键的引入及端基低聚噻吩的增加对LUMO能级的调控作用较为显著, 而共轭桥的类型对HOMO能级影响较大; 合理选择端基、 共轭桥和连接臂等结构单元可对该类材料吸光波段及强度进行有效调节. 一维电荷传输模型结果表明, 所设计的化合物均是潜在的双极性有机半导体材料, 其中2,7-二([2,2':5',2'-三噻吩]-5-基)苯并[1,2-b:6,5-b']二噻吩(A3)和2,7-二(二噻吩并噻吩-2-基乙炔基)苯并[1,2-b:6,5-b']二噻吩(a-3)具有较高的电子迁移率, 值得进一步的实验探索研究.     

芳基桥联的二薁二酰亚胺的设计合成及场效应晶体管性能研究

在本工作中,发展了一种新的合成策略,利用薁各位点的反应活性差异选择性地在薁的1-位进行官能团化,合成了由苯环（B）或噻吩并[3,2-b]噻吩基团（TT）桥联的二薁二酰亚胺化合物AzAzBDI-1、AzAzBDI-2和AzAzTTDI.AzAzBDI-2的单晶结构显示其具有扭曲的共轭骨架,相邻的两个分子通过分子间薁的七元环和五元环的π-π相互作用形成二聚体,二聚体与二聚体之间通过强的π-π相互作用形成滑移的一维堆积.用紫外-可见光吸收光谱和循环伏安法对三个化合物的光谱和电化学性质进行表征,计算出各分子的轨道能级和带隙.基于三个化合物的有机场效应晶体管器件（OFET）均表现出n-型主导的双极性有机半导体特性.其中AzAzTTDI表现出最优的OFET性能,其电子和空穴迁移率分别为0.087 cm²·V^－1·s^－1和8.8×10^－3 cm²·V^－1·s^－1.     

含Ullazine结构基元的共轭聚合物的合成及其光电性能研究

将Ullazine结构基元引入到聚合物主链或侧链中,分别与吡咯并吡咯二酮(DPP)、2,5-双(三甲基锡)噻吩共聚得到了二元共聚物PB和三元共聚物PT,分别利用凝胶渗透色谱和热重分析表征了聚合物的分子量和热稳定性,并研究了聚合物的光物理、电化学和光伏性能.基于共聚物PB和PT作为电子给体材料的聚合物太阳能电池器件测试结果表明,二元共聚物PB由于具有较低的能级水平从而获得较高开路电压,而侧链含Ullazine结构基元的三元共聚物PT具有更宽的吸收光谱和更高的空穴迁移率,获得了更高的短路电流和能量转换效率.     

主链含电子传输型团的可溶性PPV聚合物载流子传输特性研究

合成了一种聚苯撑乙烯撑(PPV)主链上含有电子传输基团的新型结构电子聚合物(O-PPV).该低聚物的M_w=1000,T_g=197℃,可溶于氯仿和四氢呋喃.单层O-PPV器件的发光效率约为单层PPV器件的5～8倍.进一步构造了结构为空穴传输特性材料/O-PPV和O-PPV/电子传输特性材料的双层器件来研究O-PPV的载流子传输特性,实验结果表明,O-PPV是一种具有明显两性载流子传输的特性材料.     

端基对二噻吩和苯并噻吩类共轭桥化合物电子结构及载流子传输性能的影响

采用密度泛函理论(DFT, TDDFT) B3LYP/6-31G(d)和PBE0/6-31G(d)方法对苯乙烯/乙炔为端基, 二噻吩(2T)、苯并二噻吩(TPT)和二苯并噻吩(PTP)为共轭桥的12个化合物进行了系统地计算研究. 在分别优化中性态与离子态几何构型的基础上, 获得了前线轨道能级、电离能(IPs)、电子亲合能(EAs)、重组能(λ_h/λ_e)和电子吸收光谱等信息. 结果表明, 苯乙炔基取代苯乙烯基对LUMO能级影响很小, 但HOMO能级明显降低, 能级差?E和激发能E_v增大, 吸收光谱蓝移10～30 nm, 多数苯乙炔基化合物的重组能均有所降低|端基相同共轭桥分别为2T, TPT和PTP时, HOMO能级逐渐降低, LUMO能级逐渐升高, ?E和E_v依次增大, 吸收光谱依次蓝移30～45 nm. 研究结果还表明, TPT共轭桥化合物的重组能较小, 且λ_h与λ_e相近, 有利于载流子传输平衡, 提高传输速率. 本文设计的苯乙炔基苯并二噻吩(DPATPT)有望成为潜在的传输效率高、抗氧化能力强的载流子传输材料.     

新型p-/n-交替3-烷基噻吩共聚物的合成及其光电性质的研究

通过Heck偶合法合成了四种新型p-/n-交替3-烷基噻吩共聚物：聚(2,4-二乙烯基-3-己基噻吩-1,3,4-噁二唑) (P3HT-OXD)、聚(2,4-二乙烯基-3-辛基噻吩-1,3,4-噁二唑) (P3OT-OXD)、聚(2,4-二乙烯基-3-己基噻吩-吡啶) (P3HT-Py)、聚(2,4-二乙烯基-3-辛基噻吩-吡啶) (P3OT-Py)。利用NMR、GPC等方法对结构进行了分析表征。采用循环伏安法、紫外－可见吸收光谱法对该系列共聚物的光电性能进行了研究,结果表明：随着噻吩环3位取代烷基碳链的增长,聚合物电离能（Ip）减小,带隙能（Eg）也随之变窄,其中,P3OT-OXD的Eg比P3HT-OXD小0.11ev,P3OT-Py的Eg比P3HT-Py小0.19eV;而在3-烷基噻吩聚合物主链上引入吸电子能力较强的噁二唑单元,可有效提高共聚物电子亲合能（Ea）,对提高电子传输能力,改善电子与空穴注入平衡有积极作用     

烷基链长度对非对称含噻吩五元稠环化合物传输性能的影响北大核心CSCD

含噻吩并苯类分子是一类代表性的高迁移率有机半导体材料,以其为共轭骨架构建的不对称分子在薄膜中倾向于形成双层排列结构,并以二维层状方式生长,有利于实现高迁移率。烷基取代基的长度会对有机半导体材料的堆积形貌产生影响。本文设计合成了不同长度烷基链取代的噻吩并[4,5-b][1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩(syn-BTBTT-Cn,n=4,5,6,7,8,10),系统研究了烷基链长度对化合物热稳定性、能级、载流子传输能力、堆积结构和薄膜形貌等方面的影响。结果表明,所有化合物均不具备液晶性,热稳定性良好。在所制备的蒸镀薄膜中所有分子均形成双层堆积结构,共轭核在层内形成鱼骨架堆积,烷基链长度会影响薄膜的有序度和堆积的紧密程度。基于该类材料制备的有机薄膜晶体管(OTFT)器件的迁移率都超过7.0 cm^(2)/(V·s),其中syn-BTBTT-C8分子的迁移率最高可达13.8 cm^(2)/(V·s),平均值为12.5 cm^(2)/(V·s)。     

氟代寡聚噻吩系列衍生物的载流子传输性质的理论研究

基于密度泛函理论方法, 采用Marcus电荷转移公式, 分别从几何和电子结构、 重组能、 转移积分及迁移率等方面研究了氟代寡聚噻吩系列衍生物中噻吩环个数、 全氟代苯位置的改变及F原子的引入对体系载流子传输性质的影响. 计算结果表明, 化合物1b, 1c和1d的电子迁移率随着噻吩单元个数的增加而逐渐升高, 因此可以通过增加噻吩单元个数来提高其电子迁移率; 而对于化合物1d, 2a和2b而言, 氟代苯位置的改变对传输性质产生了较大的影响, 其中化合物1d具有良好的平面性和π-π堆积, 传输性能最好, 有望成为良好的双极性传输材料; 比较化合物2b与3可以发现, F原子的引入增大了化合物2b的载流子迁移率, 为实验设计高迁移率的传输材料提供了理论依据.     

meso取代卟啉衍生物的结构和光学性质

meso取代卟啉衍生物在红色电致发光材料上有较大的应用前景.本文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,对以反式二噻吩(S)作为能量传输供体的卟啉衍生物,Zn-5,10,15,20-tetra(2-[thiophen-2-yl]thiophene)porphyrin(SPZ)和5,10,15,20-tetra(2-[thiophen-2-yl]thiophene)porphyrin(TSP),进行了全优化.计算了二者的电离能(IP)、电子亲和势(EA)、空穴抽取能(HEP)、电子抽取能(EEP)、空穴和电子重组能(λ),评估了它们的载流子注入和传输能力.用含时密度泛函理论(TDDFT)/B3LYP/6-31G(d)方法计算了吸收光谱.用从头算单激发组态相互作用(CIS)方法优化了SPZ和TSP的最低激发单重态S1,并用含时Hartree-Fock(TDHF)方法研究它们的荧光光谱.理论计算结果表明,引入S基团对卟啉的光物理性质影响很大,尤其是电子注入和传输性质.     

五元杂环分子超极化率的电子相关效应

用有限场方法在HF和MP4水平上计算呋喃、吡咯和噻吩的极化率、一阶和二阶超极化率.结果表明,电子相关效应对各阶极化率,尤其是高阶极化率影响较大.MP2计算值较HF有显著改善,一阶超极化率的MP2,MP3和MP4计算值依次增大,二阶超极化率的MP2和MP4值相近,而MP3值小于MP2.呋喃、吡咯和噻吩的各阶极化率在各级微扰中均具有与HF水平上一致的相对大小顺序.     

三苯胺甲醛二苯腙的合成及其光电性能研究

合成了一种新型的三苯胺类载流子传输材料三苯胺甲苯二苯腙,通过一系列手段对该化合物性能进行了表征,并以此化合物为载流子空穴传输材料,Y-型酞菁氧钛为载流子产生材料制备了光导器件,测定了该光电器件的光电性能,显示出良好的光电性能(E_1/2=1.0lx.s),可以替代常用的载流子传输材料二乙基苯甲醛二苯腙.