有機半導體材料的分子結構與性能之間的關系

0 1引言

有機半導體材料可廣泛應用于OLED、OPVC或OFET中，為開發具有優異光電性能的新型有機半導體材料，需要深入研究有機半導體材料的分子結構與性能之間的關系。

富勒烯已廣泛應用在半導體材料領域，而作為富勒烯片段的彎曲多環芳香化合物（π碗），因其獨特的性質而受到越來越多的關注，可廣泛應用于儲鋰、儲氫和光電子器件等各個領域?？⊿umanene）是具有C3V對稱的π碗代表，于2003年首次合成后，人們發現其衍生物可用作有機半導體材料。然而由于合成困難，只有少量的葵烯衍生物在實驗中被報道。眾所周知，引入不同的取代基可以大大改善有機半導體材料的性能，尤其是引入氟原子是開發新材料的常用方法，不僅可提高有機分子材料的穩定性甚至可以將p型材料變為n型材料。因此從理論上系統地研究葵烯芳基氟取代衍生物分子結構與光電性質的關系是十分必要的。

0 2成果簡介

本項目設計并系統地研究了葵烯苯基氟取代衍生物，利用了Gaussian16程序包進行量子化學計算，并利用了鴻之微MOMAP軟件定量描述并預測分子的發光性質。通過深入討論分子的幾何結構、前線分子軌道、電離勢、電子親和能、重組能、吸收光譜、熒光發射光譜、輻射速率、非輻射衰變速率和熒光量子產率等，探究了氟原子的數目和位置對葵烯衍生物光電性能的影響，尤其發現了不同異構體間的性質差異，從而建立了葵烯芳基取代衍生物分子結構與光電性質的關系，為實驗設計并開發基于此類化合物的新型有機半導體材料提供理論指導和依據。

0 3圖文導讀

圖1 葵烯及其芳基（苯基）氟化衍生物的化學結構、名稱及其編號。

圖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別在黃色、橙色和綠色背景上繪出了其數值用以方便對比異構體間的性質差異。

圖3 葵烯及其芳基氟取代衍生物的 HOMO 和 LUMO 能級。

圖4 葵烯及其芳基氟取代衍生物的空穴重組能(λh)和電子重組能(λe)。

圖5 葵烯及其芳基氟取代衍生物的輻射衰變速率(kr)和內轉換速率(kic)。

0 4小結

計算結果表明，在葵烯芳基上引入氟原子取代基對分子的結構與性質均有顯著的影響，主要結論有以下幾個方面：

1. 在幾何結構和電子結構方面，氟原子的引入對“碗”內部的碳碳鍵長影響不大，但對“碗”邊緣的碳碳鍵長影響明顯。隨著芳香氟化葵烯衍生物的氟取代基個數增加，碗深增加，而HOMO、LUMO能級和ΔH-L能級普遍降低。

2. 在電荷輸運性質方面，葵烯芳基氟取代衍生物中氟取代數增加，空穴和電子重組能均增大，說明不利于電荷傳輸。對于二取代和四取代的葵烯衍生物，2和10的空穴傳輸性能較好，而4和13的電子傳輸性能較好。此外，8比其他三氟取代葵烯異構體更有利于電子和空穴輸運。

3. 在光學性質方面，隨著葵烯芳基上氟原子數量增加，其熒光發射能(S1→S0)減小，發光波長增大。對于二氟、三氟和四氟取代葵烯異構體中，5、7和13比它們各自的異構體更利于電荷輸運和熒光發射。然而，對稱性更高的2、8和10分子則有利于電荷傳輸，而不是熒光發射。

4. 此外，我們還可以從計算結果中推斷出，單取代的葵烯化合物比其他葵烯衍生物更容易被設計成良好的光電材料。

綜上，我們的研究可為實驗中基于葵烯芳基取代衍生物的新型碗狀有機光電材料的設計與開發提供理論參考。