有机给体-受体交替共聚高分子电荷传输性质的理论研究

The charge transport properties of organic Donor-Acceptor copolymers have made large progress in recent years. However, the charge transport mechanism is not clear. Due to the static disorder in flexible polymer, it is difficult to claculate polymer systems without ideal periodicity through density functional theory. Therefore, this project aims to donor-acceptor alternating copolymers, try to search possible geometrical conformations and its fluctuation through force field and quantum chemistry methods; through developing super-exchange coupling method, we can clarify its effect on charge transport in polymer; we will study the effect of the energy level aligement, charge transfer, connecting pattern on charge transport parameters, and then, we can investigate the effect of static and dynamic disorder on charge transport prameters, such as site energy,reorganization energy, direct electronic coupling, super-exchange coupling, and therefore establish appropriate charge transport model, finally predict and design high mobility polymer materials in theory.

近年来，给体-受体共轭聚合物的电荷传输性质得到飞跃式发展，然而其电荷传输的物理机制尚不清楚。由于聚合物的柔性与静态无序导致其链内与链间结构周期性较差，很难用周期性的密度泛函方法进行计算。因此，本项目拟针对给受体交替链接的共轭聚合物，通过分子力场与量化方法搜索统计材料可能的几何构象及随温度的涨落；发展基于寡聚物的超交换耦合的计算方法，揭示超交换耦合在高分子链内传输中的作用；研究不同给受体的能级排列、电荷转移、链接方式等对材料电荷传输参数的影响；并进一步研究聚合物结构的静态无序、动态无序对电荷传输参数的调制，如格点能、重组能、直接电子耦合以及超交换耦合等。在此基础上建立合适的电荷传输模型，最终从理论上预测材料的电荷传输性质、设计高迁移率聚合物材料。

本项目针对复杂给受体聚合物体系发展超交换模型方法，通过采用矩阵分块约化计算给体-受体共聚物中的超交换耦合。这种方法不仅考虑了环境对格点能的极化效应，而且可以考虑桥的每个分子轨道的贡献。针对不同给受体嵌段聚合物的能级匹配情况，发展不同的超交换模型，提出通过嵌段长度调控材料传输极性，指出长程的超交换机制是获得高的迁移率聚合物材料的有效途径。基于发展的超交换模型，提出设计高性能电荷传输材料的设计策略：通过调控给受体嵌段单元的能隙，端基电荷密度，给受体长度，设计具有超小有效质量的高迁移率给体-受体共聚物，这项研究从分子水平上提供了给体-受体交替共聚物中电子耦合的起源，为高性能传输聚合物的合理设计铺平了道路，该研究结果被材料化学杂志（J Mater chem C）选为封面热点文章报道。 基于我们的超交换机制模型，为实验测量高迁移率的给受体聚合物的电荷传输性质给予了理论解释，研究结果发表在（Adv. Mater. 2017,29, 1702115)。