高遷移率雙極性傳輸有機半導體材料的理論設計研究

《高遷移率雙極性傳輸有機半導體材料的理論設計研究》是依託吉林大學，由任愛民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高遷移率雙極性傳輸有機半導體材料的理論設計研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：任愛民
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

設計高遷移率有機半導體材料是當前有機電子學的關鍵問題。理論計算在有機半導體材料的分子設計中起著越來越重要的作用。雙極性有機半導體材料具有大大簡化器件的製備工藝，降低製作成本，有效降低能量功耗，改善噪聲和操作穩定性等的優點，可以方便地構造新穎的光電器件，如類CMOS反向器、有機發光場效應電晶體和新型的感測器等，具有重要的實用價值。本項目擬用量子化學方法研究和設計具有高遷移率的雙極性傳輸有機半導體材料，可套用於場效應電晶體、OLED和有機太陽能電池等領域。根據其具體套用領域， 對其載流子注入和傳輸、激子形成與傳輸、激子解離或發光過程等進行理論表征，探索有機晶體結構預測方法，用量子化學和分子動力學方法預測其電子和空穴遷移率，進而篩選出優秀的高遷移率雙極性有機半導體，獲得一系列重要的高遷移率雙極性有機半導體的設計策略和理論預測晶體結構的理論和方法，為實驗合成和設計光電和電光材料提供可靠的理論支持。

結題摘要

相對於單極性有機半導體材料而言，雙極性有機半導體材料具備同時高效傳輸空穴和電子的能力，可以大大簡化器件的製備工藝、降低製作成本、減少器件功耗，是未來有機光電材料發展的主要方向之一，在有機發光場效應電晶體、互補金屬氧化物半導體、大規模積體電路等領域有著具有廣闊的套用前景。而獲得高遷移率雙極性有機半導體材料的前提是建立系統的分子結構與高遷移率性質的關係。 本項目利用量子化學方法結合分子動力學方法，選取一些典型單極性（P型和N型）和雙極性電荷傳輸材料作為研究對象，從理論角度系統研究了單極性和雙極性傳輸材料的高遷移率的分子和電子結構特徵，全面理解有機半導體分子電荷傳輸機制，解析了局域電聲子耦合和非局域電聲子耦合對載流子傳輸機制的影響及傳輸機制發生轉變的條件，表明當非局域耦合非常強或電子耦合非常弱的時候電子波函式傾向於離域化，這與局域耦合的情況完全相反。而且非局域耦契約時能夠使能級劈裂（頻寬）增寬和變窄。同時將這一規律套用於解釋系列新型有機傳輸材料時獲得了成功。此外，將非局域電聲耦合對電子波函式以及光譜性質的影響藉助含時微擾理論進行了理論推導表征，得到了包含自旋-軌道耦合與非絕熱耦合的無輻射躍遷速率公式，並用於研究熱活化延遲螢光（TADF）材料分子的反系間竄越行為。提出對於無金屬的有機發光材料，除了S1-T1單三重態能差外，低能激發態間的非絕熱耦合在反系間竄越過程中起到了主導作用。 摸索了預測有機晶體的理論和程式，預測了一些晶體結構；初步編制了預測有機半導體遷移率的程式軟體包charge transfer modeling package （CTMP），並完成了電荷傳輸相關物理量的計算。與實驗課題組香港中文大學繆謙教授合作，設計篩選出一些高遷移率的N型及雙極性有機半導體，總結出一套有效設計高遷移率雙極性有機半導體的理論指導方法。這將為實驗獲得新型高遷移率單雙極性傳輸有機半導體材料提供重要的理論支撐和可靠的分子結構線索，促進OFET、OLED、OPV等光電子器件的進一步實用化發展。