高迁移率双极性传输有机半导体材料的理论设计研究

Design of high mobility organic semiconductor material is a key issue in organic electronics. Theoretical calculation plays a more and more important role in the molecular design of organic semiconductor materials. With bipolar organic semiconductor materials can greatly simplify the preparation process of the device, reduce production costs, reduce energy consumption and noise and operating stability, can facilitate the construction of novel optoelectronic devices, such as complementary-like CMOS inverter, organic light-emitting field-effect transistor and a new sensor, it has important practical value. This project aims to research and design a series of ambipolar transport organic semiconductors with high mobility which can be applied to the fields such as field effect transistors, OLED and organic solar cells. According to its specific application field, injection of the carriers, exciton formation and transmission, luminescence or dissociation process will be theoretically characterized. Exploring crystal structure prediction method for some organic molecules will be performed, meanwhile the electron and hole mobility will be predicted by both quantum chemistry and molecular dynamics methods, and then some excellent ambipolar organic semiconductor materials with high mobility will be selected, a number of design strategies can be obtained for important ambipolar organic semiconductor materials, and some thoeries and methods for the prediction to crystal structure can be also attained. What we hope this project will provide reliable theoretical support for the experimental synthesis and design on optoelectronic and electroluminescent materials.

设计高迁移率有机半导体材料是当前有机电子学的关键问题。理论计算在有机半导体材料的分子设计中起着越来越重要的作用。双极性有机半导体材料具有大大简化器件的制备工艺，降低制作成本，有效降低能量功耗，改善噪声和操作稳定性等的优点，可以方便地构造新颖的光电器件，如类CMOS反向器、有机发光场效应晶体管和新型的传感器等，具有重要的实用价值。本项目拟用量子化学方法研究和设计具有高迁移率的双极性传输有机半导体材料，可应用于场效应晶体管、OLED和有机太阳能电池等领域。根据其具体应用领域， 对其载流子注入和传输、激子形成与传输、激子解离或发光过程等进行理论表征，探索有机晶体结构预测方法，用量子化学和分子动力学方法预测其电子和空穴迁移率，进而筛选出优秀的高迁移率双极性有机半导体，获得一系列重要的高迁移率双极性有机半导体的设计策略和理论预测晶体结构的理论和方法，为实验合成和设计光电和电光材料提供可靠的理论支持。

相对于单极性有机半导体材料而言，双极性有机半导体材料具备同时高效传输空穴和电子的能力，可以大大简化器件的制备工艺、降低制作成本、减少器件功耗，是未来有机光电材料发展的主要方向之一，在有机发光场效应晶体管、互补金属氧化物半导体、大规模集成电路等领域有着具有广阔的应用前景。而获得高迁移率双极性有机半导体材料的前提是建立系统的分子结构与高迁移率性质的关系。.本项目利用量子化学方法结合分子动力学方法，选取一些典型单极性（P型和N型）和双极性电荷传输材料作为研究对象，从理论角度系统研究了单极性和双极性传输材料的高迁移率的分子和电子结构特征，全面理解有机半导体分子电荷传输机制，解析了局域电声子耦合和非局域电声子耦合对载流子传输机制的影响及传输机制发生转变的条件，表明当非局域耦合非常强或电子耦合非常弱的时候电子波函数倾向于离域化，这与局域耦合的情况完全相反。而且非局域耦合同时能够使能级劈裂（带宽）增宽和变窄。同时将这一规律应用于解释系列新型有机传输材料时获得了成功。此外，将非局域电声耦合对电子波函数以及光谱性质的影响借助含时微扰理论进行了理论推导表征，得到了包含自旋-轨道耦合与非绝热耦合的无辐射跃迁速率公式，并用于研究热活化延迟荧光（TADF）材料分子的反系间窜越行为。提出对于无金属的有机发光材料，除了S1-T1单三重态能差外，低能激发态间的非绝热耦合在反系间窜越过程中起到了主导作用。.摸索了预测有机晶体的理论和程序，预测了一些晶体结构；初步编制了预测有机半导体迁移率的程序软件包charge transfer modeling package （CTMP），并完成了电荷传输相关物理量的计算。与实验课题组香港中文大学缪谦教授合作，设计筛选出一些高迁移率的N型及双极性有机半导体，总结出一套有效设计高迁移率双极性有机半导体的理论指导方法。这将为实验获得新型高迁移率单双极性传输有机半导体材料提供重要的理论支撑和可靠的分子结构线索，促进OFET、OLED、OPV等光电子器件的进一步实用化发展。