【摘 要】
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和无机半导体相比,有机半导体具有开发空间广、成本低和化学修饰位点丰富等优点。近年来,有机半导体被广泛应用于有机场效应晶体管（OFETs）和有机光伏太阳能电池（OPVs）等器件。载流子迁移率的高低对于电子器件性能的好坏有很大的影响,而载流子的迁移率与有机半导体材料分子的内部堆积等因素密切相关。因而从微观的角度去研究电荷的传输性能对提高此类电子器件的性能有重要意义。此外,对性能优异但合成困难的有机材料
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和无机半导体相比,有机半导体具有开发空间广、成本低和化学修饰位点丰富等优点。近年来,有机半导体被广泛应用于有机场效应晶体管（OFETs）和有机光伏太阳能电池（OPVs）等器件。载流子迁移率的高低对于电子器件性能的好坏有很大的影响,而载流子的迁移率与有机半导体材料分子的内部堆积等因素密切相关。因而从微观的角度去研究电荷的传输性能对提高此类电子器件的性能有重要意义。此外,对性能优异但合成困难的有机材料分子从理论上进行修饰设计并研究其电荷传输性能,可大幅降低实验成本。基于近年来有机半导体的研究现状,本论文选取了含有噻吩单元的具有强吸电子能力的噻唑基酰亚胺类聚合物和含有噻吩单元的卟啉有机复合材料进行了一系列的化学修饰和设计,采用计算精确度较高的密度泛函理论（DFT）从分子的几何结构、轨道能级、电离能、电子亲合能、重组能、模拟晶体的转移积分、载流子迁移率和各向异性迁移率等方面探索其电荷离域行为和电荷传输性能,从而为实验技术人员合成高载流子迁移率的有机半导体材料提供理论指导。在第1章和第2章综述了有机半导体材料和理论研究方法进展的基础上,第3章研究了含有噻吩类双噻唑基酰亚胺三个系列低聚物——双受体PBTz In（n=1-8）以及受体-供体结合的PBTz I3Tm（m=1-4）和PBTz I3T-2Fm（m=1-4）,以阐明低聚物长度、噻吩供体和氟取代对电荷传输性能的影响。我们使用密度泛函理论（DFT）和Marcus理论系统研究了这些酰亚胺的噻唑基低聚物的电荷转移性质。PBTz I8具有1.089/0.249 cm2V-1s-1高且平衡的空穴/电子传输迁移率,因此是良好的双极性半导体。PBTz I3Tm中引入的三个噻吩环增强了骨架平面性,噻吩H原子替换为F进一步增强了非共价键N…S和S…F相互作用,从而增加了分子平面度,从而使PBTz I3T-2Fm（m=1-4）成为更好的半导体。PBTz I3T3是双极性有机半导体,空穴/电子传输迁移率为11.760/1.396 cm2V-1s-1,而PBTz I3T-2F3和PBTz I3T-2F4具有更好的双极性有机半导体性能,其空穴/电子传输迁移率分别为16.325/3.674 cm2V-1s-1和60.019/5.086 cm2V-1s-1。在第3章双噻唑基酰亚胺系列低聚物的研究基础上,我们在第4章中将一侧的噻唑换成了噻吩,设计并研究了含有噻吩类单侧噻唑基酰亚胺的三个系列低聚物——双受体的PDTz TIn（n=1-4）以及供体-受体-受体结合的PDTz TITm（m=1-4）和PDTz TITm-2F（m=1-4）系列衍生物。研究表明,引入噻吩环可降低电离能并降低空穴注入势垒,增强晶体中的分子堆积,从而增加电荷转移积分,使PDTz TITm成为良好的p型半导体。氟取代增加了平面度并确保了晶体中更好的分子堆积,从而使PDTz TIT-2Fm成为更好的p型半导体。受体-受体PDTz TI4的最大空穴/电子迁移率为4.450/3.514 cm2V-1s-1,而PDTz TIT4和PPDTz TIT-2F4的空穴/电子迁移率分别为10.567/0.182 cm2V-1s-1和10.225/1.838 cm2V-1s-1,本部分工作为合成含有噻吩类噻唑基酰亚胺类低聚物有机半导体分子提供了进一步理论支持。基于卟啉可以作为好的供体单元以及第3和4章中噻吩环的重要作用,我们在第5章中设计了系列Zn BTEZPn（n=1-6）分子并通过DFT计算了其电荷转移性质。研究结果清楚地揭示了含噻吩卟啉复合材料分子侧链的含噻吩单元长度增加会导致共轭结构扩大,HOMO和EA增大,LUMO和IP减小,重组能降低。电荷转移积分和电荷传输迁移率受噻吩单元长度的影响则比较复杂。Zn BTEZPn（n=1-6）作为良好的双极性或p型有机半导体,Zn BTEZP6的空穴/电子传输迁移率分别高达76.161/9.395 cm2V-1s-1。本章研究工作在一定程度上为未来实验人员合成含有噻吩类卟啉有机复合分子提供了方向。
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