苯丙炔酸和苯丙烯酸酯苯并菲盘状液晶电荷传输的理论研究

电荷传输是有机材料的重要性质之一．根据电子转移的半经典模型对含苯丙炔酸和苯丙烯酸酯支链的苯并菲盘状液晶化合物分子的电荷传输性质进行理论研究．研究结果表明,所计算的三个苯并菲衍生物分子均具有高的电荷传输性能．标题化合物分子的负电荷传输速率均比苯并菲大,含苯丙烯酸酯链的苯并菲分子比含苯丙炔酸酯链的苯并菲分子具有较大的空穴传输速率及较小的负电荷传输速率．对于含苯丙烯酸酯链的苯并菲分子,链烷氧基越长,正电荷传输速率越大,负电荷传输速率越小．     

含有长烷氧链混合醚-酯类苯并菲盘状液晶的合成及其介晶性研究

本文合成了含有不同柔链的对称和非对称苯并菲盘状液晶:sym-C18H6(OC11H23)3(O2CR)3和asym-C18H6(OC11H23)3(O2CR)3,R=(CH2OC2H5),CH2OC3H7,CH2OC4H9,CH2OC5H11,C3H7,C4H9,C5H11,C6H13,C7H15。通过偏光显微镜(POM)和差视扫描量热法(DSC)对它们的热致液晶性性进行了研究,结果显示:非对称性化合物比它们相应的对称性化合物有更高的熔点和清亮点。对于同一系列的化合物G18H6(OC11H23)3(OOCR)3,随取代基R的增长,其熔点下降,清高点反而升高。无论对称和非对称苯并菲衍生物G18H6(OC11H23)3(O2CR)3,(R=CH2OC2H5,CH2OC3H7,CH2OC4H9,CH2OC5H11),与有同样软链长度的苯并菲衍生物G18H6(OC11H23)3(O2CR)3,(R=C4H9,CK5H11,C6H13,C7H15)相比较,大都有更高的熔点和清亮点。另外,有足够长度软链的苯并菲衍生物在室温下就显示介晶相。     

含有长烷氧链混合醚一酯类苯并菲盘状液晶的合成及其介晶性研究

本文合成了含有不同柔链的对称和非对称苯并菲盘状液晶：sym-C18H6（OC11H23），（02CR）3和nsym-C18H6（OCIIH23）3（02CR）3，R=（CH20C2H5），CH20C3H7，CH20C4H9，CH20C5H11,C3H7，C4H9，C5Hll,C6H13，C7H15。通过偏光显微镜（POM）和差视扫描量热法（DSC）对它们的热致液晶性性进行了研究，结果显示：非对称性化合物比它们相应的对称性化合物有更高的熔点和清亮点。对于同一系列的化合物G18H6（OC11H23），（OOCR）3随取代基R的增长，其熔点下降，清高点反而升高。无论对称和非对称苯并菲衍生物G18H6（OC18H23）3（02CR）3，（R=CH20C2H5，CH20C3H7，CH20C4H9，CH20C5H11），与有同样软链长度的苯并菲衍生物G18H5（OC11H23）3（O2CR）3，（R=C4H9，CK5H11,C6H13C，H15）相比较，大都有更高的熔点和清亮点。另外，有足够长度软链的苯并菲衍生物在室温下就显示介晶相。     

含酯基和酰胺基支链的苯并菲液晶电荷传输性质的量子化学研究

根据Marcus半经典模型,计算了支链中含酰胺基和含酯基的苯并菲盘状液晶化合物C18H6(OC2H5)3(OCH2CONHCH3)3和C18H6(OC2H5)3(OCH2COOCH3)3的电荷转移反应的速率常数。这两种化合物的支链都可以对称性分布,也可以非对称性分布。计算表明,支链排列的对称性对电荷转移矩阵元和电荷传输速率常数的影响很大,非对称性分子的正电荷传输速率常数和负电荷传输速率常数均大于对称性分子。所以,取代基非对称性排列对增加电荷传输速率常数有利。其原因是支链非对称排列的分子的质量中心与几何中心不重合,当液晶分子绕质量中心旋转的同时形成了分子间的相对平移,从而增大了电荷转移矩阵元。本文为设计、改善液晶分子的电荷传输性能提供了一条新的思路。     

密度泛函理论研究边链对苯并菲电荷传输的影响

采用密度泛函理论在B3LYP/6-31G**水平上,根据电子转移的半经典模型对含有炔基的不同软链的苯并菲化合物分子的电荷传输性质进行研究。研究表明,所有目标化合物均有利于苯并菲的电荷传输。其中,直接在苯并菲刚性环上引入酰胺基（-CO-NH-）有利于提高正电荷的传输,而间隔基为酯基的单取代化合物的正负电荷传输性质均比较良好。在苯并菲上单取代的分子明显比其双取代、三取代的分子正电荷传输性质好。     

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.     

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.     

官能化苯并菲盘状液晶的合成及不饱柔链对介晶性的影响

合成了12个含不饱和软链的苯并菲盘状液晶化合物,C18H6（OC5H11）6-x（OR）x（x=1,2,3）,R=-C3H6CH=CH2（a）,-C3H6C≡CH（b）,-C2H4OCH=CH2（c）.化合物结构通过核磁共振氢谱和高分辨质谱表征.化合物热致液晶性通过偏光显微镜（POM）,差视扫描热量法（DSC）,和X射线衍射（XRD）进行了研究.结果显示目标化合物呈现有序的六方柱状介晶相.端炔基链化合物b系列熔点最高.乙烯氧基柔链化合物c系列有最高的清亮点和最宽的介晶性温度范围,且随着不饱和醚链数的增多,清亮点明显升高.对称苯并菲化合物sym-C18H6（OC5H11）3（OR）3比不对称化合物asym-C18H6（OC5H11）3（OR）3具有更高的熔点和清亮点.乙烯氧基柔链可极化的偶极相互作用对液晶稳定性有较大贡献.     

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.     

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.     

含酰胺结构的巯基自组装膜的设计与结构表征

提出了一种简便通用的合成巯基化合物的途径，以分子中的羧基CO2H为起始基团，与2-流基乙胺的氨基选择性缩合；合成了一系列具有RC（O）NHCH2CH2SH（R分别为偶氯苯衍生物，双炔衍生物及直链烷基）结构的化合物，并用接触角测量，电化学和掠角反射红外光谱（GIR-IR）等手段对这些化合物在金表面形成的自组装单分子膜进行了表征。发现4-（N－（2‘-巯基已基））酰胺偶氮苯的自组装膜表现出良好的电活性，电化学测定表面浓度为4．21×10(－10)mol·cm(-2)．当R为烷基链时，随烷基链的增长，膜的致密度与有序度增加GIR-IR证明在自组装腹中CH3（CH2）6C（O）NHCH2CH2SH的C＝O和N－H键与Au表面平行，分子轴线与Au表面近似垂直．     

模拟含双锌核的甲烷单加氧酶催化甲烷和乙烷羟基化理论研究

采用密度泛函B3LYP方法,研究含双锌核的甲烷单加氧酶催化底物CH3X (X=H,CH3) 羟基化的反应机理.用cis-(HCOO)(C3N2H4)Zn2(μ-O)2(COOH)(C3N2H4)(其中C3N2H4＝咪唑)模拟双锌核甲烷单加氧酶中的关键化合物Q.研究表明,反应通过自由基回弹机理发生.首先,底物CH3X (X=H,CH3)与Q中的一个桥形氧发生相互作用生成分子复合物QCH3X.然后,Q中的一个桥形氧进一步夺取底物中的氢原子,生成QH和XCH2双自由基.这两种双自由基很容易结合生成醇类分子复合物PXCH2OH,其中P= cis-(HCOO)(C3N2H4)Zn(μ-O)Zn(COOH)(C3N2H4).最后,分子复合物PXCH2OH脱去羟基化合物XCH2OH生成P.在298.15K和1atm的条件下,含双锌核甲烷单加氧酶Q催化CH4和CH3CH3羟基化反应在蛋白质溶液中的速率常数分别为6.414×10-19和1.542×10-6 dm3·mol-1·s-1.     

“CH”/N取代对BTD衍生物光电性质影响的理论研究

采用量子化学方法研究了“CH”/N杂原子取代对2,1,3-苯并噻二唑衍生物(BTD)的电子性质、光谱性质以及电荷传输性质的影响,为新型有机发光材料的设计与合成提供了可靠的理论基础和指导.研究结果表明,在基态和激发态,与母体分子相比,“CH”/N取代同时降低了最高占据轨道和最低空轨道的能量.而且,与母体分子相比,“CH”/N取代衍生物的能隙升高.“CH”/N取代使母体分子吸收和发射光谱发生了蓝移,并且使发射光谱的振子强度增大.“CH”/N取代衍生物具有较小的空穴重组能,可以作为有机发光二极管的空穴传输材料.     

一种非线性结构空穴传输材料的合成及其光伏性能研究

以三苯胺为电子给体单元,4-叔丁基-甲氧基苯环为母核,设计合成了1种非线性“Y型”结构的空穴传输材料（2TPA-ph-tbyl）。光电化学测试结果表明该材料与钙钛矿材料能级匹配。单晶X射线衍射结果表明,该分子通过端位基团三苯胺形成分子间C-H/π相互作用。这种较强的侧链堆积作用使2TPA-ph-tbyl获得了3.13× 10-5 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率,是商用空穴传输材料PEDOT：PSS的1.5倍。将其制备成倒置结构钙钛矿太阳能电池,开路电压达到1000 mV、短路电流密度为21.53 mA?cm-2,填充因子为0.71,其光电转换效率达到15.2%,高于PEDOT：PSS（13.7%）。稳态光致发光和阻抗测试表明,2TPA-ph-tbyl可以促进钙钛矿-空穴传输材料界面电荷传输,降低界面电荷复合,从而提高电池的开路电压和短路电流。上述结果表明,具有非线性结构的空穴传输材料可以通过增强分子间的侧链堆积效应,提高材料的空穴迁移率,进而提高电池的光电转换效率。     

吲哚并咔唑类衍生物载流子传输性质的理论研究

以密度泛函理论结合跳跃模型, 重点研究了氯原子和烷基链的引入对吲哚并咔唑类衍生物传输性质的影响. 计算结果表明, 与吲哚并[3,2-b]咔唑(1)相比, 氯原子的引入增大了2,8-二氯吲哚并[3,2-b]咔唑(2)和2,8-二氯-5,11-二己基吲哚并[3,2-b]咔唑(3)的最高占据分子轨道(HOMO)的离域程度, 而对最低未被占据分子轨道(LUMO)则无显著贡献, 但明显降低了二者的能级. 上述结果表明, 对于LUMO, 氯原子体现了吸电子效应, 而对于HOMO, 氯原子体现了共轭效应. 烷基链的引入使化合物3的空穴迁移率明显高于化合物1和2, 这主要归因于化合物3具有更加紧密的分子堆积, 尤其在跳跃路径A中, 具有更大的分子间电子耦合和轨道重叠. 同时能带结构的计算结果进一步证明, 氯原子和烷基链的同时引入大大改善了吲哚并咔唑类衍生物的电荷传输性能.     

二乙炔桥连苯并菲盘状液晶二聚体的合成及其介晶性

通过桥链将2个盘状介晶基元相连,不仅可以稳定盘状液晶柱状相,还有利于玻璃态柱状相的形成,提高盘状液晶作为有机半导体材料的实用性．为此,通过铜盐催化的Eglinton偶联反应合成了8个二乙炔桥连的苯并菲盘状液晶二聚体化合物[C18H6（OCnH2n＋1）4（OMe）O2C—C8H16-C--C-]2,3（n）,（n=4-8）,[C18H6（OC6H13）5O2C—C8H16-C-C-]2,（6）和[C18H6（oc6H13）5O-（CH2）m-C-=C-]2,8（m）,（m=1,3）．差示扫描量热法（DSC）和热台偏光显微镜（POM）对其介晶性进行研究发现：（1）苯并菲周边柔链长度对液晶二聚体化合物的介品性有影响;（2）二聚体化合物3（n）和6具有玻璃态柱状相,并且所有苯并菲二聚体化合物在降温至-50℃均未出现结晶现象;（3）与二聚体3（6）相比,分子对称性较高的化合物6具有较稳定的柱状相,及较宽的介晶温度范围;（4）连接基、中心桥链的长度和刚性对苯并菲盘状液晶二聚体介晶性有重要影响．     

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.     

环戊二噻吩中的硫原子被CH2、SiH2取代对化合物光电性质影响的理论研究

有机电致发光材料是国际上的研究热点之一。本文采用量子化学方法,研究了环戊二噻吩CH2和SiH2取代对其与2,1,3-苯并噻二唑和三苯胺的化合物光电性质的影响。研究结果表明,CH2取代对母体分子的电子和光谱性质的影响比SiH2取代明显。SiH2取代使吸收和发射光谱的振子强度增大的程度大于CH2取代,更有利于发光强度的提高。CH2和SiH2取代衍生物的空穴和电子重组能的差值极小,可以作为有机电致发光二极管中双极性电荷传输材料。静电势能结果表明,SiH2取代衍生物的稳定性高于母体分子的稳定性。通过探索分子结构与性质间关系,为实验设计合成新的有机电致发光材料提供了理论支持。     

羟基取代苯并菲化合物分子的结构与电荷传输性质研究

在量子化学B3LYP/6-31G**水平上对苯并菲, 氟及羟基取代苯并菲化合物分子及其分子离子的结构进行理论研究, 得到稳定构型. 在此基础上, 计算二聚物的单点能随旋转角度和盘间距离的变化关系, 得到能量最低点. 根据电子转移的半经典模型计算了苯并菲及氟和羟基取代苯并菲化合物分子的电荷转移常数, 氟和羟基的引入使正电荷转移速率常数明显减小, 即不利于正电荷的传输, 对负电荷的传输速率常数影响不大.     

含B-N相互作用偶氮苯强荧光材料光电性质的理论研究

本文基于增大光谱发光强度的结构修饰方法,采用理论计算方法研究了结构修饰后分子的电子性质、光谱性质以及电荷传输性质的变化.计算结果表明,-N(CH3)2取代、-N(CH3)2和-Br组合取代有助于吸收/发射光谱发光强度的提高.与母体分子相比,-N(CH3)2和-Br取代位置不同或取代数量不同可以引起最高占据分子轨道能量(EHOMO)、最低空分子轨道能量(ELUMO)和能隙(Eg=ELUMO-EHOMO)发生明显变化,从而有效调节了最大吸收波长(λabs)和最大发射波长(λem),从理论角度设计了一系列蓝光和绿光材料.重组能计算显示,除了GM-1和GM-6,其余分子可以作为有机电致发光材料(OLEDs)中的空穴传输材料,GM-1和GM-7可以作为双极性电荷传输材料.