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.     

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.     

4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔的合成机理和电子结构的理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT/GGA)方法, 在PW91/DNP 水平上研究了4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔在PdCl₂(PPh₃)₂ 催化下的合成机理. 优化了反应过程中的反应物、中间体、过渡态和产物, 通过能量分析结果证实了中间体和过渡态的真实. 在同样的方法和精度研究了4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔在没有催化剂下的合成机理. 通过计算结果得到此反应在有PdCl₂(PPh₃)₂ 催化情况下的活化能小于没有催化剂情况下的活化能, 从而证明了PdCl₂(PPh₃)₂ 催化剂的催化活性. 采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法, 研究了产物P 在TiO₂(100)表面的吸附, 通过Mulliken charge 和前线轨道分析表明: 当P 吸附在TiO₂(100)表面时, P 向TiO₂(100)表面转移0.692 e 电荷, 前线轨道能隙变窄. 理论预测的结果与实验值吻合.     

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.     

6,12-二(三乙基硅乙炔基)二苯并苯并二噻吩的合成、表征及性能研究

合成了6,12-二(三乙基硅乙炔基)二苯并[d,d’]苯并[1,2-b;4,5-b’]二噻吩,并通过熔点测定、元素分析、核磁共振谱、质谱及X-单晶衍射分析对其进行了表征,同时对其作为有机场效应管(OFET)材料的性能进行了测试.结果表明,该材料在器件中载流子迁移率高达0.53 cm2/Vs,开关比为105.     

理论研究连接方式对低聚(3-己基噻吩)结构和电子光谱的影响

用密度泛函理论优化了不同连接方式的低聚(3-己基噻吩)((3HT)n,n=2~8)异构体的几何结构,并得到了相对能量,接着用含时密度泛函理论计算了不同异构体的垂直激发能,并优化了(3HT)8第一激发态的几何结构.结果表明,不同连接方式异构体的相对能量接近,但它们的轨道能级和垂直激发能差异都较大;第一激发态比基态共平面性更好.     

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.     

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.     

芴与苯并硒化二唑共聚物的电子结构和光谱性质的理论研究

用密度泛函B3LYP方法对低聚体(DEF-BSeD)n(n=1~4)[其中9,9二乙基芴(DEF)单元与苯并硒化二唑(BSeD)单元的摩尔比分别为1∶1和2∶1]进行全优化, 计算电离能(PI)、电子亲和势(EA)和能隙(ΔH-L), 在基态结构的基础上用TD-DFT和ZINDO方法计算激发能和电子吸收光谱, 并利用外推法得到高聚物的相应性质. 从外推结果看出, 随着聚合物中BSeD比例的增大, 聚合物的最低单激发能呈减小的趋势, 最大电子吸收光谱红移. 用CIS方法优化得到单体的S1激发态结构, 计算结果表明, 激发态的结构更趋近于平面构型.     

DFT Study on the Correlation between Thermodynamical Property and Molecular Structure of Polybromo-phenoxathiin

Complete optimization was conducted for 136 polybromo-phenoxathiin congeners(PBPTs) on the B3LYP/6-31G* level with Gaussian 03 program.The structural parameters and thermodynamical parameters of each molecule were obtained under the standard state of 298.15 K and 1.013×105 Pa.Reverse linear regression was employed to establish the quantitative structure-property correlation models between heat capacity at constant volume(CVθ),entropy(Sθ),standard heat of formation(△fHθ) and standard free energy of formation(△fGθ) of PBPTs and the structural parameters(the most negative atomic charge(q-) and molecular average polarizability(α)).These models presented better correlations(r20.97).And they were validated by variance inflation factor(VIF) and t-test,which can better explain the regularity of thermodynamical property of PBPTs,and has good stability and great prediction ability.     

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.     

Theoretical Investigation on the Electron and Energy Transfer between Peripheral Carrier Transport Groups and Central Chromophores in Electroluminescent Materials

The molecular materials with structures of luminescent core and peripheral carrier groups (e.g. carbazoles), have exhibited high‐performance in organic light‐emitting diodes (OLEDs). Present work is to understand the basic process of electronic and energy exchange between the peripheral functional groups and the central core through quantum chemical analysis. As an example, 4,7‐bis(9,9‐bis(6‐(9H‐carbazol‐9‐yl)hexyl)‐9H‐fluoren‐2‐yl)benzo[c]‐[1,2,5]thiadiazole (TCBzC) is investigated in regards to optoelectronic properties using density functional theory (DFT). The results suggest that the forbidden transition from peripheral carbazole to the central chromophore core makes for separated electrical and optical properties, and high performance electroluminescence (EL) is mainly attributed to the energy‐transfer from carbazoles to the fluorene derivative core     

Effects of Electron Donating Ability of Substituents and Molecular Conjugation on the Electronic Structures of Organic Radicals

The geometries and electronic structures of a series of electron donor-acceptor radical molecules have been studied theoretically. The computational results show that the introduction of substituents with strong electron donating ability into tri-(2,4,6-trichlorophenyl) methyl(TTM) radicals enables the radical molecules to form the non-Aufbau electronic structure. The difficulty of forming the non-Aufbau electronic structure decreases with the enhancement of the electron donating ability of the substituent, but the expansion of the molecular conjugated system is not conducive to the formation. The hybridization of different fragments in molecular orbitals results in the disproportionation of orbital energy level and forms a staggered energy level structure. The electronic structure of radical molecules can be adjusted by substituents and molecular skeleton profoundly, which is a very effective means for molecular design.     

DFT Study on the Electronic and Structural Properties of ReO5-/0 Clusters

The electronic and structural properties of ReO5 and ReO5 clusters are investigated using density functional theory (DFT) calculations. The lowest energy structures for both the anionic and neutral clusters are determined, and the corresponding photoelectron spectrum is simulated. Our results show that ReO5 can be described as an unusual peroxo molecule, Re(O)3(η2-O2) , while ReO5 is found to be exhibiting the O2 o radical character. Molecular orbital analyses and spin density analyses are performed to elucidate the chemical bonding and the electronic and structural properties in these two rhenium oxide clusters.     

Electronic Structure and Optical Properties of the Surface F-Centers in MgO: A Theoretical Analysis by DFT Approach

Electronic structure of Mg9O9 and Mg9O8 clusters modeling nano-crystalline powders of magnesium oxide has been analyzed within the frames of the density functional theory (DFT). In the framework of time-dependent DFT method (TD-DFT), the relationship between the surface and bulk properties of nano-crystals is analyzed based on variations in the density of electronic states (DOS) and changes of electronic spectra. The spectroscopy of spatial defects like low-coordinated oxygen ions and of surface point defects like F⁺- and F-centers is investigated. Optical properties of the nano-sized crystalline magnesium oxide are characterized by a spectrum of absorption bands in the range of 1-5 eV. Point defects such as F-centers absorb light in the range of 1.2-1.5 eV. Spatial defects O_LC in nano-crystals generate absorption bands in the range of 2.5-5.0 eV. According to calculations, there is no direct relation between coordination numbers of surface ions and excitation energies. Theoretical excitation energies are compared with experimental optical properties of the F⁺- and F-centers.     

R2C＝GeH2和R2Ge＝CH2结构与成键特征的理论研究

用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-31＋G(d, p)水平上研究了取代基对二取代锗烯R₂Ge＝CH₂和R₂C＝GeH₂ [R＝H, OH, NH₂, SH, PH₂, F, Cl, Br, (NHCH)₂, CH₃, (CH)₂]的影响. 研究发现π供电子取代基在碳上时更能引起分子结构在锗端的锥型化. 碳原子上的π电子给予取代基的给电子效应越强, R₂C的单-三态能量差越大, π电子的反极化效应就越强, 使得化合物的结构在锗端发生的弯曲越明显, 从而使得弯曲结构更稳定. 和前人的计算相比, 碳上的给电子取代基对GeH₂结构影响大于它对SiH₂的影响.     

外电场对N@C60, P@C60, As@C60分子结构和性质的影响

用量子力学方法研究了N@C60, P@C60, As@C60分子的几何和电子特征. 计算结果表明, 形成富勒烯包合物后, 碳笼只有微小的变形, 3种内包原子在笼中处于不同的位置, 碳笼与内包原子之间有明显的电荷转移和自旋轨道相互作用, 生成能分别为6.32, 70.88, -53.05 kJ/mol. 内包原子的3个单占据分子轨道(SOMO)能量变化很大, 并由于和碳笼作用而发生劈裂. 在外电场作用下, 分子的电子密度沿电场方向发生转移.分子的能量随外加电场的增强而降低. 分子轨道能级、能隙及SOMO轨道的能量和能级劈裂也发生了变化.     

氮混杂金属卟啉吸收光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G(d)水平上研究了4种金属Mg, Ni, Cu, Zn配位的自由卟啉(FBP)及氮混杂卟啉(NECP)的几何结构及分子轨道能级. 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算了金属与2种卟啉配位后在气体条件下的电子吸收光谱, 包括激发能、 吸收波长、 跃迁组成和振子强度.计算结果表明, 与金属配位的FBP(M-FBP)具有D_4h对称性, 分子轨道能级HOMO/HOMO-1和LUMO/LUMO+1因能级相近发生简并, HOMO-LUMO轨道能级差大约3.0 eV, 在Soret带出现较强吸收峰.由于C/N原子位置的改变, 非对称性结构的M-NECP前线轨道组成发生改变, 轨道能级差(HOMO-LUMO)减小至2.6 eV左右, 且能级发生分裂, Soret带出现多个电子吸收谱峰, Q带也出现吸收峰. 本文研究了水、 氯仿和苯3种不同极性溶剂对M-FBP和M-NECP的分子轨道及电子吸收光谱的影响, 结果表明, 随溶剂极性减弱金属配合物的电子吸收光谱发生红移, 并且吸收峰强度增强.