有机半导体材料的分子结构与性能之间的关系

 

0 1 引言  

有机半导体材料可广泛应用于OLED、OPVC或OFET中，为开发具有优异光电性能的新型有机半导体材料，需要深入研究有机半导体材料的分子结构与性能之间的关系。

富勒烯已广泛应用在半导体材料领域，而作为富勒烯片段的弯曲多环芳香化合物（π碗），因其独特的性质而受到越来越多的关注，可广泛应用于储锂、储氢和光电子器件等各个领域。葵烯（Sumanene）是具有C3V对称的π碗代表，于2003年首次合成后，人们发现其衍生物可用作有机半导体材料。然而由于合成困难，只有少量的葵烯衍生物在实验中被报道。众所周知，引入不同的取代基可以大大改善有机半导体材料的性能，尤其是引入氟原子是开发新材料的常用方法，不仅可提高有机分子材料的稳定性甚至可以将p型材料变为n型材料。因此从理论上系统地研究葵烯芳基氟取代衍生物分子结构与光电性质的关系是十分必要的。

0 2 成果简介  

本项目设计并系统地研究了葵烯苯基氟取代衍生物，利用了Gaussian16程序包进行量子化学计算，并利用了鸿之微MOMAP软件定量描述并预测分子的发光性质。通过深入讨论分子的几何结构、前线分子轨道、电离势、电子亲和能、重组能、吸收光谱、荧光发射光谱、辐射速率、非辐射衰变速率和荧光量子产率等，探究了氟原子的数目和位置对葵烯衍生物光电性能的影响，尤其发现了不同异构体间的性质差异，从而建立了葵烯芳基取代衍生物分子结构与光电性质的关系，为实验设计并开发基于此类化合物的新型有机半导体材料提供理论指导和依据。

0 3 图文导读  

图1 葵烯及其芳基（苯基）氟化衍生物的化学结构、名称及其编号。

图2 葵烯及其芳基氟取代衍生物的碗深值。二取代、三取代和四取代的葵烯衍生物分别在黄色、橙色和绿色背景上绘出了其数值用以方便对比异构体间的性质差异。

图3 葵烯及其芳基氟取代衍生物的 HOMO 和 LUMO 能级。

图4 葵烯及其芳基氟取代衍生物的空穴重组能(λh)和电子重组能(λe)。

图5 葵烯及其芳基氟取代衍生物的辐射衰变速率(kr)和内转换速率(kic)。

0 4 小结  

计算结果表明，在葵烯芳基上引入氟原子取代基对分子的结构与性质均有显著的影响，主要结论有以下几个方面：

1. 在几何结构和电子结构方面，氟原子的引入对“碗”内部的碳碳键长影响不大，但对“碗”边缘的碳碳键长影响明显。随着芳香氟化葵烯衍生物的氟取代基个数增加，碗深增加，而HOMO、LUMO能级和ΔH-L能级普遍降低。

2. 在电荷输运性质方面，葵烯芳基氟取代衍生物中氟取代数增加，空穴和电子重组能均增大，说明不利于电荷传输。对于二取代和四取代的葵烯衍生物，2和10的空穴传输性能较好，而4和13的电子传输性能较好。此外，8比其他三氟取代葵烯异构体更有利于电子和空穴输运。

3. 在光学性质方面，随着葵烯芳基上氟原子数量增加，其荧光发射能(S1→S0)减小，发光波长增大。对于二氟、三氟和四氟取代葵烯异构体中，5、7和13比它们各自的异构体更利于电荷输运和荧光发射。然而，对称性更高的2、8和10分子则有利于电荷传输，而不是荧光发射。

4. 此外，我们还可以从计算结果中推断出，单取代的葵烯化合物比其他葵烯衍生物更容易被设计成良好的光电材料。

综上，我们的研究可为实验中基于葵烯芳基取代衍生物的新型碗状有机光电材料的设计与开发提供理论参考。　　

      审核编辑：彭静