理論研究共軛聚合物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)及有機(jī)導(dǎo)體和有機(jī)太陽(yáng)能電池材料的分子模擬.pdf

1、本論文采用密度泛函理論研究了近年來(lái)倍受關(guān)注的共軛聚合物,并通過(guò)對(duì)它們的單體、低聚物和聚合物結(jié)構(gòu)的計(jì)算,詳細(xì)討論了聚合物作為導(dǎo)電材料和太陽(yáng)能電池材料的潛在可能性。另外,文章還分析了不同單元的比例對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。主要內(nèi)容如下:
　　 第一節(jié)首先介紹了有機(jī)導(dǎo)電聚合物研究現(xiàn)狀、導(dǎo)電機(jī)理以及設(shè)計(jì)。導(dǎo)電聚合物由于具有良好的導(dǎo)電性能和獨(dú)特的光學(xué)特性,已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。其次介紹了有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展情況和工作原理。另外,還介紹了本文所做的

2、工作及其意義。
　　 第二節(jié)詳細(xì)介紹了本論文所用的計(jì)算方法即密度泛函理論(DFT)。同時(shí)還介紹了幾種重要的理論分析手段和方法:分子中的原子(AIM)理論,自然成鍵軌道(NBO)分析,核獨(dú)立化學(xué)位移(NICS)分析和含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)。
　　 第三節(jié)使用密度泛函理論,在B3LYP/6-31G(d)水平下,對(duì)基于二苯噻吩的供體-受體低聚物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。文中二苯噻吩(DBT)為電子供體,thieno

3、[3,4-b]pyrazine(TP),thieno[3,4-6]thiadiazole(TD),和[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[3,4-b]pyrazine(TTP)為電子受體。并在同一理論水平下對(duì)它們周期聚合物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了研究。另外,通過(guò)分子橋鍵鍵長(zhǎng)、成環(huán)臨界點(diǎn)的電荷密度和核獨(dú)立化學(xué)位移來(lái)分析其導(dǎo)電性。核獨(dú)立化學(xué)位移顯示:分子的聚合程度隨著鏈的加長(zhǎng)而增強(qiáng)。在本論文中也考慮了供體受體比例(D

4、-A比例)的影響,結(jié)果表明:D-A比例為1:2的導(dǎo)電能力比1:1的好。此外,文中還討論了重組能和能帶結(jié)構(gòu)。(BTDDBT)n和(BTPDDBT)n擁有很小的重組能(分別為0.163eV和0.152eV)和很低的帶隙(分別為0.73eV和0.56eV),因此,是良好的潛在導(dǎo)電材料。
　　 第四節(jié)將3,4-次乙烯二氧噻吩(VDOT)與thieno[3,4-b]pyrazine(TP),furo[3,4-b]pyrazine(FP)和

5、6H-Pyrrolo[3,4-b]pyrazine(PP)組合,獲得了一系列3,4-次乙烯二氧噻吩衍生物。采用密度泛函理論對(duì)其單體、低聚物和聚合物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的變化、中心鍵性質(zhì)以及核獨(dú)立化學(xué)位移后發(fā)現(xiàn):隨著聚合度的增加物質(zhì)的共軛性也隨之增加。為了了解不同的VDOT與TP、FP、PP比例對(duì)電子性質(zhì)的影響,又對(duì)V-P比例為1:1、1:2和2:1時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析,結(jié)果表明,V-P比例為1:2化合物共軛

6、性最好,而2:1時(shí)共軛性最差。由于1:2和2:1的二聚物電子傳輸重組能相對(duì)較小,說(shuō)明其相應(yīng)的聚合物可能為潛在的電子傳輸材料。同時(shí),聚合物的能帶結(jié)構(gòu)顯示:V-P比例為1:1的聚合物(包括(VDOT-TP)n,(VDOT-FP)n和(VDOT-TP)n)具有相對(duì)低的帶隙和很寬的帶寬,因此可以做為潛在的導(dǎo)電材料。另外,(VDOT-BTP)n和(VDOT-BFP)n有著非常低的帶隙(分別為0.73和0.87eV),且擁有合適的帶寬,也是良好的本

7、征導(dǎo)電材料。
　　 第五節(jié)設(shè)計(jì)了九種聚物做為太陽(yáng)能電池的供體材料。這些聚合物的主體結(jié)構(gòu)是以苯二噻吩(BDP)為電子供體,2,1,3-benzothiadiazole(BT)為受體,然后再向其中并入比例為1:1和1:2的噻吩、呋喃和吡咯。文章分析了這些化合物在環(huán)境中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、吸收太陽(yáng)光的能力和光伏性質(zhì)。結(jié)果表明:當(dāng)BDPBT并入噻吩、呋喃和吡咯后,激子的產(chǎn)生和分離能力增強(qiáng),吸收光譜中的最大吸收峰發(fā)生紅移,空穴和電子重組能降低。