基于大环共轭体系的有机场效应晶体管半导体材料的理论研究

卟啉酞菁类夹心稀土配合物大环共轭体系具有独特的的三维共轭电子结构，在半导体功能材料领域具有广泛的应用前景。该类配合物的第一氧化电位较低而第一还原电位较高，分子最高占据轨道和最低空轨道的能级差较小；同时由于其刚性的三维分子结构以及高度离域的π电子体系而具有较小的重组能，所以非常适合作为优良的半导体功能材料。本课题主要的内容是通过在三明治型卟啉酞菁类稀土配合物单元上连接不同性质和长度功能基团，例如冠醚、烷氧基、氰基、卤素等，在详细分析其结构和谱学性质的基础上，在Marcus理论的基础上，研究分子的重组能，电子的射入势垒，分子间电荷转移过程中交换积分和分子的集聚状态对迁移率影响。通过本项目研究可以开发该类功能分子材料在场效应晶体管中的应用潜力，因而具有重要的理论意义和实际意义。

本课题主要是采用密度泛函方法对带有各种所需功能基团的卟啉、酞菁基大环共轭体系的分子材料性质进行研究，对其进行详细的谱学分析后，研究其前线轨道能量，离子化能、反应活性等，研究分子结构及取代基对轨道能级和性能大小影响规律。研究分子结构与性能之间的构效关系，在分子水平上进一步探讨此类新型有机分子材料的性能。三明治型酞菁类配合物的第一氧化和第一还原电位分别为0.13-0.27和-0.71 ~ -0.81 V (vs SCE) 与之对应的HOMO和LUMO能级分别是-4.57 ~ -4.71和–3.73 ~ -3.63 eV。在三明治型酞菁配合物的酞菁环周边引入吸电子的取代基，使HOMO和LUMO的轨道能级减低，使三明治型酞菁类配合物的HOMO的能级与金电极的功函（5.1eV）相匹配，LUMO 的轨道能量( –4.1 ~ –4.0 eV)并使其能级差值在1.0 e V左右，设计了并证明了三明治型酞菁配合物具备作为双极性OFET材料的潜力，具有较高的迁移率，在有机场效应领域有着广阔的应用前景。通过RDG 和 NBO电荷分析、研究非共价键作用和静电相互作用来分析卟啉分子的稳定性。通过模拟这一系列化合物紫外-可见光谱（UV-vis），指认特征吸收峰并对吸收峰进行了归属和由于分子对称性不同导致它们紫外吸收光谱不同。通过计算它们电势（EP）福井函数（Fukui）、中心金属的电负性研究它们的反应活性。以卟啉酞菁类功能分子材料为例，研究了在现代计算机软硬件环境下，功能分子材料的性质的理论模拟方法，提出了新的模型概念，并在此基础上开发了相应的计算软件NLO Calculator和TD-Analy。利用计算软件NLO Calculator和TD-Analy，以及商业软件Gaussian和开源软件Multiwfn，研究了一些卟啉酞菁类化合物的功能分子材料的性质，为卟啉酞菁基功能分子材料的性质的进一步发展提供了有益的思路。