十字交叉型π共轭分子3,6-二苯-1,2,4,5-(2′,2″-二苯基)-苯并二噁唑的电子结构和电荷传输性质的理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法, 在6-31G(d)基组水平下研究了以三联苯和二苯基苯并噁唑构成的十字交叉型共轭分子3,6-二苯基-1,2,4,5-(2′,2″-二苯基)-苯并二噁唑的电子结构和电荷传输性质. 通过对分子的重组能和晶体中分子间电荷传输积分的计算得到该分子的空穴迁移率为0.31 cm²·V^-1·s^-1, 电子迁移率为0.11 cm²/(V·s). 计算结果表明, 空穴的传输主要是通过三联苯方向上两端苯环的“边对面”的相互作用以及分子中心π体系的错位重叠相互作用来实现的. 而电子的传输路径主要是通过苯并噁唑方向的π-π重叠相互作用来实现. 通过分析分子正负离子态的Mulliken电荷发现, 正电荷较多分布在三联苯方向上, 而负电荷较多分布在苯并噁唑方向上. 计算结果表明, 电子和空穴的传输分别在分子相互交叉的不同方向上, 有利于电子和空穴的平衡传输.     

咔唑衍生物DiPICz载流子传输性能的理论研究

依据Marcus理论, 在密度泛函理论水平下对咔唑衍生物Dibenzo[2,3: 5,6]pyrrolizino[1,7-bc]indolo-[1,2,3-lm]carbazole(DiPICz)的电子结构和传输性质进行系统研究. 计算结果表明, DiPICz的电子迁移率(5.81×10^-2 cm²·V^-1·s^-1)反常地高出空穴迁移率(6.02×10^-4 cm²·V^-1·s^-1)2个数量级, 表明稠合修饰可能是一种潜在的转变传输材料极性的手段. 分析发现, 导致DiPICz具有较好电子传输性质的原因在于相对较小的电子重组能和较好的晶体堆积方式. 在其鱼骨型堆积的晶体中, 存在着滑移的π-π及边对面的 CH…N和CH…π相互作用. 这些相互作用由于形成二维的电荷传输通道, 从而在电子传输中起着重要作用.     

卤素、 氰基及N原子修饰对四硫富瓦烯衍生物载流子传输性质影响的理论研究

基于密度泛函理论结合跳跃模型和能带理论研究了氟、 氯、 氰基和N原子的引入对四硫富瓦烯(TTF)衍生物载流子传输性质的影响. 计算结果表明, 嵌N修饰会降低分子重组能, 特别是当N原子靠近TTF主体环时作用更明显. 与引入卤素修饰相比, 引入氰基修饰的分子具有更小的电子和空穴重组能及更低的前线分子轨道(FMO)能级. 同时迁移率的计算结果显示, 分子6具有1.15 cm²·V^-1·s^-1的高电子迁移率, 考虑其较低的LUMO能级, 推测其有望成为潜在的优异电子传输材料, 而相似的电子和空穴迁移率使分子2有望成为潜在的双极性传输材料. 同时还考察了S和N原子之间的弱相互作用, 当S或N原子对分子HOMO(或LUMO)有贡献时, 其相应的空穴(或电子)传输能力会有所提高.     

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.     

硅纳米线和聚3-十二烷基噻吩混合薄膜在场效应晶体管中的应用研究

为了提高聚3-十二烷基噻吩的场效应迁移率, 将硅纳米线混入聚3-十二烷基噻吩的溶液中制成薄膜. 退火后的聚3-十二烷基噻吩能够自组装成有序的微晶结构, 有利于电子传输. 聚3-十二烷基噻吩薄膜在场效应晶体管中能够获得0.015 cm²·V^-1·s^-1的迁移率, 而混合薄膜能够获得高达0.68 cm²·V^-1·s^-1的迁移率. 这是因为硅纳米线优异的电子传输性能使得电子通过硅纳米线就像通过快速通道一样, 从而能够缩短电子在场效应晶体管中的传输时间, 提高传输速度. 此外, 使用离子胶作为介电层也能够提升场效应晶体管的性能, 混合薄膜能够获得高达6.2 cm²·V^-1·s^-1的迁移率.     

给受共聚物链上与链间极化子的光谱特性

给受体共聚物具有重要的光伏效应,载流子在其中的传输机理一直备受关注. 近来聚（吡咯并吡咯二酮-噻吩[3,2-b]并噻吩联二噻吩）[poly（DPP-DTT）]在其场效应晶体管器件中表现出高达10.5 cm²/（V·s）的空穴迁移率,有实验表明链上的极化子传输是主要途径,但也有光谱数据表明链上与链间极化子共存. 单链或链间传输机制是目前大家关注的问题. 本工作从计算化学的角度给出单链与双链极化子的光谱特征,为澄清载流子传输的机制提供依据. 首先采用长程密度泛函理论计算不同结构的寡聚链的吸收光谱,通过与实验比较,找到能合理描述poly（DPP-DTT）单链中空穴/电子极化子及激子的有效模型. 然后,通过格点能修正的方法,计算不同堆积情况下链间的电荷转移积分,阐述poly（DPP-DTT）链间不同堆积方式对极化子离域性的影响. 转移积分大的空穴/电子双链极化子的理论吸收光谱与实验吻合. 计算结果表明,在poly（DPP-DTT）中同时存在一维极化子和不同堆积结构的二维极化子,同时也说明载流子的一维和二维传输是同时进行的,而不同堆积结构会影响载流子链间的传输特性.     

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.     

萤火虫氧化荧光素及其衍生物的电子结构和光物理性质

通过密度泛函理论(DFT)的MPW3PBE泛函, 对萤火虫生物发光底物氧化荧光素及其衍生物进行了结构全优化. 计算了其电离能、 电子亲和势、 空穴抽取能、 电子抽取能、 空穴和电子重组能, 并评估了其空穴和电子传输能力. 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)//MPW3PBE/6-31+G(d)方法计算了吸收光谱, 优化了最低单重态S₁, 研究了其荧光光谱, 进而考察了具有较高发光效率的氧化荧光素作为有机发光二极管(OLED)材料的可能性. 计算结果表明, 氧化荧光素及其衍生物可以同时作为电子传输层和发光层材料.     

给、吸电子基团封端对低聚9,9 -螺双芴光电性质的改进

采用密度泛函理论(DFT)-B3LYP/6-31G(d)方法研究了给、吸电子基团对称和不对称封端对9,9 -螺双芴光电性质的影响. 全优化得到了9,9 -螺双芴封端前后各分子的稳定构型, 分析了各种封端系列的HOMO-LUMO能隙. 结果表明, 以给电子基团噻吩和吸电子基团噁二唑不对称封端作用于9,9 -螺双芴, 能使LUMO能量大幅降低, HOMO能量略有升高, 能隙明显变窄. 不对称封端低聚9,9 -螺双芴分子[T(SBF)_nO, n＝1～4]在相同计算水平下的全优化结果表明吸、给电子基团的电荷比随n的增大而递增, 揭示了给、吸电子基团间存在分子内电荷转移(ICT), 且这种电荷转移在低聚物中得到加强. 计算得到的电离势、电子亲和势、空穴抽取能、电子抽取能和重组能等相关能量, 证明了在主链上形成的载流子传输通道提高了空穴和电子传输的能力. 用TD-DFT和ZINDO方法计算了T(SBF)_nO (n＝1～4)的吸收光谱, 随着n的增大而激发光所需的能量减小, 光谱红移, 吸收强度增大|用CIS/6-31G(d)方法优化得到了不对称封端9,9 -螺双芴S₁激发态构型, 结果表明, 激发态的平面化程度比基态高.     

有机半导体Terazulene单晶双极电荷传输性质的理论研究

利用密度泛函方法计算Terazulene单晶的重组能和分子间电子耦合,结合Marcus电荷转移速率理论以及随机行走技术模拟电荷迁移率,分别研究Terazulene单晶中电子与空穴的角分辨各向异性迁移率及平均迁移率.结果表明,Terazulene单晶具有均衡的电子与空穴传输性质,并分析了具体原因.由于p型有机半导体Naphthodithiophene(NDT)的分子共轭长度与Terazulene接近,通过比较Terazulene单晶和NDT单晶中电荷传输的差异,从理论上理解分子结构对有机半导体材料电荷传输性能的影响.     

十字交叉型π共轭分子3,6-二苯-1,2,4,5-(2',2"-二苯基)-苯并二噁唑的电子结构和电荷传输性质的理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法, 在6-31G(d)基组水平下研究了以三联苯和二苯基苯并噁唑构成的十字交叉型共轭分子3,6-二苯基-1,2,4,5-(2',2"-二苯基)-苯并二噁唑的电子结构和电荷传输性质. 通过对分子的重组能和晶体中分子间电荷传输积分的计算得到该分子的空穴迁移率为0.31 cm2·V -1·s -1 , 电子迁移率为0.11 cm2/(V·s). 计算结果表明, 空穴的传输主要是通过三联苯方向上两端苯环的"边对面"的相互作用以及分子中心π体系的错位重叠相互作用来实现的. 而电子的传输路径主要是通过苯并噁唑方向的π-π重叠相互作用来实现. 通过分析分子正负离子态的Mulliken电荷发现, 正电荷较多分布在三联苯方向上, 而负电荷较多分布在苯并噁唑方向上. 计算结果表明, 电子和空穴的传输分别在分子相互交叉的不同方向上, 有利于电子和空穴的平衡传输.     

芴-含氮芳杂环共聚物的载流子注入特性

为了改善聚芴的载流子注入特性,采用密度泛函理论B3LYP/6-31G*方法计算比较了芴、芴-联吡啶和芴-菲咯啉低聚物的几何结构、电子结构、最低激发能及重组能等,并外推到相应聚合物.结果发现:联吡啶/菲咯啉含氮芳杂环的缺电子性质能够诱导聚芴的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级分别下降0.45/0.47eV和0.32/0.38eV,提高电子注入能力的同时,调控载流子注入平衡;联吡啶单元的引入导致电子和空穴重组能升高(降低聚芴的载流子迁移率),而芴-菲咯啉共聚物显示了与聚芴相似的迁移性能.     

两种四噻吩并萘分子晶体电荷传输性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法结合不相干的电荷跳跃模型和随机Monte Carlo模拟,研究了2种四噻吩并萘晶体(AT1和AT2)的分子结构、电子性质及电荷载流子传输参数,并预测了这2种晶体室温下空穴和电子迁移率的各向异性.结果表明标题化合物具有近似平面的刚性骨架结构,电荷传输过程中分子的结构弛豫相当小.基于绝热势能面法计算的AT1和AT2分子空穴/电子传输内重组能分别为9.300×10~(-2)/1.100×10~(-1)eV和1.020×10~(-1)/1.290×10~(-1) eV,外重组能分别为1.835×10~(-2)/1.711×10~(-2) eV和1.857×10~(-2)/1.747×10~(-2) eV.利用Monte Carlo随机模拟方法预测的2种分子晶体室温(300K)下空穴/电子迁移率平均值分别为4.976×10~(-3)/2.766×10~(-2) cm~2 V~(-1)s~(-1)和3.857×10~(-3)/1.478×10~(-2)cm~2 V~(-1)s~(-1).此外,迁移率的角度依赖性研究表明2种载流子在AT1和AT2晶体aob平面传输时表现出显著的各向异性,其最大值均沿着电荷传输积分最大的方向,为制备高性能场效应晶体管器件提供了参考.     

基于机器学习和第一性原理计算构建双电子转移通道加速CO2光还原(英文)

光催化还原CO₂技术可以将CO₂转化为高附加值化学品,在解决日益严重的环境污染和能源危机方面具有巨大潜力.然而,CO₂分子较高的C=O键键能(750 kJ mol^-1)为其活化和还原带来了挑战.因此,构建具有新型电子转移路径的光催化剂具有重要意义.与传统的单电子传输通道相比,层状材料的多电子传输通道在改善载流子传输能力方面具有明显的优势.然而,设计具有合适参数的多电子通道光催化剂模型仍是重要挑战.本文首先采用理论计算预测了具有双电子转移通道、参数匹配的三元异质结BiOBr-Bi-g-C₃N₄;然后,通过机器学习探讨了各种实验参数对双电子传输通道的光催化活性影响的线性规律,优化了实验参数,制备了光催化活性较高的BiOBr-Bi-g-C₃N₄催化剂;最后,结合第一性原理计算和实验表征结果揭示了其光催化机理.理论计算结果表明,BiOBr-Bi-g-C₃N₄异质结具有最佳的吉布...     

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.     

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.     

基于苯并噻吩平面格的张力与重组能的理论研究

有机半导体材料在有机发光二极管(OLED)、有机场效应晶体管(OFET)和有机太阳能电池(OSC)等领域应用广泛,但由于各类结构缺陷和迁移率较低,不利于载流子的传输.本文基于苯并噻吩设计并研究了一系列新型有机电荷传输纳米分子,利用密度泛函理论研究了分子轨道、电离能、电子亲和势、张力能和重组能等分子结构和电子性质;利用约化密度梯度函数和正规模式(NM)分析方法计算了分子内的弱相互作用和每个振动模式对重组能的贡献.结果表明,苯并噻吩格子化(形成四元格)之后,与其单体相比,分子的电子重组能降低了至少0.394 eV,空穴重组能降低了至少0.056 eV,证明格子化是降低重组能的一种有效策略.     

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.     

MX2型二维半导体载流子迁移率理论预测

为找到未来半导体晶体管合适的沟道材料,计算了14种MX_2(其中M=Mo,W,Sn,Hf,Zr和Pt,X=S,Se和Te)型二维半导体载流子有效质量、带隙以及电子和空穴迁移率。在计算过程中,为了快速对载流子迁移率进行估计,利用形变势的近似电声耦合矩阵元。计算时考虑长波光学声子和声学声子的散射,而在极化晶体中,考虑了极化散射。计算结果表面,WS_2,PtS_2以及PtSe_2具有最高的电子迁移率以及非零的带隙。其中,PtSe_2的电子在室温下的理论迁移率上限为4000 cm~2·V~(-1)·s~(-1),而W,Hf和Zr的二维化合物室温时的空穴迁移率较高,其中含W的化合物理论迁移率上限到2600 cm~2·V~(-1)·s~(-1)。该计算研究为实验合成高迁移率的二维材料提供指导,同时为实验获得高性能以二维材料作为沟道的场效应晶体管提供参考,加速二维材料的应用。     

第一性原理的形变势理论研究声学声子散射对电荷传输的影响

本文应用密度泛函理论和玻尔兹曼方程,在形变势理论的框架和驰豫时间近似下,研究了分子晶体中电子与声学声子散射对电荷传输的影响.针对蒽、萘、丁省和并五苯的计算表明,非局域化电子的传输过程主要受到来自于声学声子的散射.对于蒽晶体,与以前的Holstein-Peierls模型计算结果相比,发现纵向声学声子对空穴的散射强度是光学声子的3倍,所得到的空穴迁移率更接近超纯单晶样品的实验测量结果.同时,我们发现电子的本征迁移率比空穴还要大,应用前线轨道交叠分析可以合理地解释这一结果.