具有高迁移率的有机光电功能材料的分子设计

Novel materials are the bases of New Scientific & Technical Revolution in matters. With the rapid developments of organic optoelectronic devices, such as organic light-emitting diodes (OLEDs), organic solar cell (OSC), organic field-effect transistors (OFETs), and so on, one finds that the carrier mobility of organic optoelectronic functional material is an important factor affecting the performance of an organic optoelectronic devices. The relation between the structure of donor (P type) or acceptor (N type) and performance of carrier mobility is pretty important for developing the optoelectronic functional material. In this work, we mainly focus on the mobility of the carriers of two types of organic optoelectronic functional materials by theoretical study; deal with the effect of structures (such as substituent, the size of the π conjugated molecular system, and molecular stacking) on the transport properties. In this contribution, we modify the molecules and predict the electronic, optical, transport, and stability properties. It will useful for designing and synthesizing new organic optoelectronic functional materials.

新材料是新科技革命的物质基础。随着有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OSC）和有机场效应晶体管（OFET）等有机光电子器件的发展以及深入研究，研究者发现，有机光电功能材料的载流子传输性质是影响有机光电器件性能的重要因素。研究给体（P型）和受体（N型）材料的分子结构与载流子的传输性能之间的关系，对开发和应用新型有机光电功能材料至关重要。本项目以两类有机光电功能材料的载流子迁移率为主要研究内容，利用量子化学手段，选择合适的模型与方法，深入探讨了材料的结构（如取代基，π共轭分子体系的大小，分子的堆积模式等）对其电荷传输性能的影响。并在此基础上对有机分子进行有目的的化学修饰，对其电子性质、光谱性质、传输性能和稳定性进行理论预测，从理论上评价设计分子的性能，为设计和合成新型具有高迁移率的有机光电功能材料提供理论依据。

有机光电功能材料由于其质量轻，易于在分子水平上加工和改性，所以引起了研究者的广泛关注。利用量子化学方法研究有机光电功能材料结构与性能之间的关系已经成为材料科学中不可或缺的手段。本项目的目的在于利用量子化学手段，选择合适的模型与方法，对宽吸收光谱机制进行模拟和解释，并在此基础上对分子进行有目的的化学修饰，对其电子性质、光谱性质、传输性能和稳定性进行理论预测，从理论上评价设计分子的性能，为新型有机光电功能材料的分子设计提供理论依据。本项目工作主要包括以下六个方面的内容：.1、采用密度泛函方法，对齐聚噻吩（OT）和齐聚噻吩乙烯（OTV）的宽吸收光谱机制进行理论模拟和解释。事实证明，我们的计算结果与实验结果相符，同时也证明了我们在计算中采用的理论计算方法和基组是可靠的，为下一步分子设计提供有效手段。.2、采用已确定的理论计算方法和基组，研究了OT和OTV衍生物的拓扑结构与其电子性质、光谱性质、电荷传输性能和稳定性之间的关系。.3、我们将噻吩并[3,2-b]噻吩和它的类似物以及拉电子和/或推电子取代基分别引入OTV来调节母体分子的电子和光谱性质，在理论上确定了进一步增加吸收光谱范围的有效方式以及获得高性能的太阳能电池给体材料。选取常用受体材料，预测其与设计分子的匹配性能及其迁移率。.4、选择苝类衍生物作为受体材料，利用不同的密度泛函方法对苝类衍生物的各种性质进行理论模拟。经过与实验数据进行对比，选择出合适的理论计算方法和基组，预测苝类衍生物的各种光电性质。.5、采用已确定的理论计算方法和基组，研究取代基对于苝类衍生物PDI-BI的光谱和电子性质的影响。计算结果说明，PDI-BI-13、PDI-BI-14、PDI-BI-15、PDI-BI-16和PDI-BI-17的前线分子轨道能级可以与X1和X2相匹配。.6、采用已确定的理论计算方法和基组，对分子PPDI及其衍生物的性质进行理论模拟。分子PPDI-14在P212121堆积方式下，其电子迁移率为0.04，空穴迁移率，0.02。分子PPDI-22在Cc堆积方式下，其电子迁移率为0.14，空穴迁移率，0.01。