外部电场对有机半导体电荷传输性能影响的理论研究

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1、暨南大学硕士学位论文题名(中英文对照)：外部电场对有机半导体电荷传输性能影响的理论研究ExternalElectricFieldEffectsontheChargeTransferPropertiesofOrganicSemiconductors:ATheoreticalStudy作者姓名：詹晓玲指导教师姓名及学位、职称：刘宏光博士副研究员学科、专业名称：化学、物理化学学位类型：科学学位论文提交日期：2018年4月21日论文答辩日期：2018年6月1日答辩委员会主席：赵存元教授论文评阅人：学位授予单位和日期：中文

2、摘要近年来，有机半导体因其在场效应晶体管、发光二极管等方面的应用而备受关注。虽然基于此类材料的器件性能在不断提高，可是目前有机半导体无论在载流子迁移率，还是空气稳定性方面，都远落后于传统的无机半导体。为了真正实现有机材料在电子设备中的应用，充分发挥其耐弯折、质轻等自身优势，提高有机材料本身的导电性能，完善器件的制作工艺十分关键。本文通过量子化学计算，使用密度泛函理论（DFT）方法，对具有代表性的两种（n型和p型）有机半导体基元的传输性质进行了深入研究。不同于早前已报道的理论工作，本文系统地研究了器件环境下电场对有

3、机半导体电荷转移以及空气稳定性的影响，发现不同方向的外部电场可以有效地调节分子的空穴或电子重组能，从而改变材料整体的电荷传输效率。对于空穴传输型材料—寡聚四噻吩，当外部电场Fx由0V/Å升高到1V/Å时，空穴重组能从552meV降至125meV；而当Fz从0V/Å增加到0.5V/Å时，空穴重组能提高了48％。另外，针对电子传输型材料在空气中容易氧化失效，本文在分子水平上探讨了该类材料在空气中的退化机制，发现外部电场在该过程当中视施加方向可以起到促进或抑制的作用。对于苝酰亚胺体系，当外部电场为0V/Å时，O3（O2

4、）在分子B2位点处的反应能垒为10.3（26.5）kcal/mol；当F-z=0.75V/Å时，反应能垒升高到17.7（37.7）kcal/mol，表明该方向电场可抑制氧化反应；而当F+z=0.75V/Å时，反应能垒降低至4.4（16.9）kcal/mol，表明强F+z下苝酰亚胺容易被环境氧氧化进而导致材料性能失效。外部电场是一把双刃剑，充分利用外部电场给材料本身带来的性能优势的前提是分子堆叠方式与器件中电极安放位置（决定电场方向）要匹配，从而有利于电荷迁移和抗氧化。希望上述研究发现可以启发实验科学家设计并改进材

5、料和器件结构，以期实现更好的半导体性能。关键词：有机半导体，重组能，电荷传输，寡聚噻吩，苝酰亚胺，密度泛函理论，空气稳定性，外部电场IAbstractInrecentyears,organicsemiconductorshaveattractedenormousattentionduetotheirapplicationsinorganicfield-effecttransistors,organiclight-emittingdiodes,etc.Althoughdeviceperformancesarecon

6、stantlyimproving,thechargecarriermobilitiesandairstabilitiesoforganicsemiconductorsstillfarlagbehindtheirinorganiccounterparts.Forrealapplicationsmeanwhiletakingfulladvantages(e.g.flexibleandlightinweight)fromtheorganicnature,itisthereforeurgenttoimprovethema

7、terialelectricalpropertyandrelevantdevicefabrication.Inthisdissertation,byutilizingthedensityfunctionaltheory(DFT)attheM06-2X/6-31+g*level,weperformedanin-depthstudyontwoprototypesoforganicsemiconductors,quaterthiophene(p-type)andperylenediimide(n-type).Disti

8、nctfromthereported,thisworksystematicallyinvestigatedtheimpactsoftheexternalelectricfieldonthechargetransferpreferenceandairstabilityoftargetedmaterials.Itisfoundexternalelectricfieldcana