【摘 要】
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近年来,有机小分子半导体材料由于其可定制、机械柔性、成本低、可大面积制备等许多优势为研究人员广泛研究,而深入了解其内部的电荷传输以及能级结构对设计新型材料和高性能器件非常重要。然而目前,对有机小分子半导体材料内分子间相互作用影响的电荷传输机制的研究还不够完善,对材料内少数载流子陷阱态及能级结构的研究也还不够清晰。针对该问题,本论文从理论计算的角度出发,结合一定的实验分析,对有机小分子半导体材料的电
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近年来,有机小分子半导体材料由于其可定制、机械柔性、成本低、可大面积制备等许多优势为研究人员广泛研究,而深入了解其内部的电荷传输以及能级结构对设计新型材料和高性能器件非常重要。然而目前,对有机小分子半导体材料内分子间相互作用影响的电荷传输机制的研究还不够完善,对材料内少数载流子陷阱态及能级结构的研究也还不够清晰。针对该问题,本论文从理论计算的角度出发,结合一定的实验分析,对有机小分子半导体材料的电荷传输及能级结构进行了深入的研究分析。具体研究内容如下:1.三元有机共晶体T2P1TC2内分子间相互作用及双极性传输特性的研究有机小分子半导体材料内的迁移率可以衡量材料的电荷传输特性。我们采用了不同的计算方法分别对三元共晶体T2P1TC2进行了分子间相互作用及电子和空穴传输的迁移率的计算。结果表明,用M06-2X泛函计算得到的电子和空穴传输的平均迁移率之比与实验类似,分别为7.73 cm2 V-1s-1和2.12 cm2 V-1s-1。并且我们发现,T2P1TC2共晶体内存在着π-π相互作用、C-H…π相互作用和C-H…N相互作用的协同作用,使得材料内部存在许多电荷传输通道,一些通道有利于电子的传输,而一些通道有利于空穴的传输。由于T2P1TC2共晶体内分子对的排布更多的是靠近晶体b轴方向,因此无论是电子传输还是空穴传输,沿晶体b轴方向的迁移率要明显大于沿晶体其他方向的迁移率,使其有着明显的各向异性传输行为。除此之外,由于迁移率的大小主要取决于转移积分和重组能,通过对转移积分和重组能的计算和分析,我们发现在T2P1TC2共晶体内,转移积分对迁移率起着主要决定性作用。2.有机小分子半导体Dif-TES-ADT内陷阱态及能级结构的研究有机场效应晶体管内如果存在少数载流子陷阱,会严重导致器件的光致不稳定性。我们对有机小分子半导体材料Dif-TES-ADT在一系列水氧溶剂的体系进行了溶剂模型的结构优化和垂直激发态计算。通过分析不同体系的能级结构和轨道分布,我们发现,氧气分子是少数载流子陷阱产生的根本原因,加入氧气分子后,它会吸附电子,使得体系的LUMO能级从Dif-TES-ADT单分子的-2.13 eV下降到-2.66 eV。而水分子在促进少数载流子陷阱的形成过程中发挥着重要作用,它会诱导氧气分子生成OH自由基,进一步吸附电子,使得体系的LUMO能级继续下降至-2.74eV。为了解决这一问题,我们加入了分子添加剂TCNQ分子,它不仅有着较强的吸附电子的作用,使得体系的LUMO能级下降至-4.19 eV,并且接近Dif-TES-ADT 单分子的 HOMO 能级-5.11 eV,因此 TCNQ 分子的 LUMO 上的电子可以与Dif-TES-ADT单分子的HOMO上的空穴复合,可以有效地去除了少数载流子陷阱效应,很好地保障了有机场效应晶体管的光稳定性。并且我们还通过替换不同溶剂分子,对不同溶剂体系进行了相同条件下的计算,消除了溶剂分子对少数载流子陷阱产生的影响。本论文以密度泛函理论计算为基础,对有机小分子半导体内的电荷传输特性以及能级结构进行了系统的研究,为设计高迁移率的有机场效应晶体管及保障其光稳定性提供了理论指导和支撑。
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