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1、N 型有机半导体材料掺杂前后的电子结构与电荷传输特性的理论研究二、报告正文： （一）立项依据与研究内容（4000-8000 字）： 1、项目的立项依据有机半导体材料是目前最活跃的前沿科学研究领域之一。其种类繁多、结构复杂多样，具有纳米范畴的分子尺寸，拥有独特的性能组合，以及丰富多彩的光、电、磁等物理性质，在场效应晶体管、发光二极管和太阳能电池等领域有着广泛的应用前景1-3 。p 型和 n 型材料主要是以传输空穴和传输电子为主，以两者共同构筑的有机互补电路具有功耗低、操作速度快、噪音容限大等优点，是实现有机电子器件应用的基础。相对于种类繁多且性能较好(迁移率已接近无机半导体材料) 的 p 型材料
2、而言，n 型半导体材料由于其载流子迁移率低以及在合成过程中空气稳定性差、可溶液加工性质差等缺点，限制了其在相关的柔性电子器件及有机电路领域的发展。因此，本项目通过理论研究 n 型有机半导体材料的分子结构、堆积形式和分子间相互作用，揭示它们的结构和性能的关系，探索提高材料的载流子迁移率并兼顾稳定性的设计思想，期望为新的 n 型有机半导体材料的研发提供一定的理论依据。良好的n型半导体材料要求其最低未占有分子轨道（LUMO）必须和源漏极电极的功率相接近。但实验上使用的高功率电极有利于向半导体分子的最高占有分子轨道（HOMO）注入空穴，却不利于向分子LUMO轨道能级注入电子；而使用低功率电极时虽然电子
3、注入势比较低，但很容易氧化，且易和半导体发生反应生成电荷转移复合物。因此，如何实现材料的LUMO能级和电极进行合理匹配，已成为制约有机半导体器件性能的重要因素。人们尝试从改变分子结构出发，采用引入吸电子基团的方法（-F、-CN等基团）4，5，增强材料的电子亲和势，改善电子迁移率；同时研究发现选择电子亲和势（一般大于3eV）的材料可以得到热力学稳定的n型器件。最近，研究者通过在缺电子的芳核上稠合富电子的硫杂环（提高迁移率），并结合拉电子的丙二氰基团封端的策略（保证稳定性），发展了一类新的可溶液加工的n型有机半导体材料6，7。这些新的n型半导体材料的分子结构与载流子迁移率大小的关系都源自大量的经验
4、探索，一直缺少具有物理内涵的微观解释，而从实验推断决定迁移率的关键参数分子间的电子耦合和重组能也十分困难，因此在开发新材料时难以实施有效的成分优化，这就需要在理论源头给出合理的解释。此外，富电子的硫杂环（S）在实验上被证实是行之有效的掺杂方式，那么同一主族的O 和Se掺杂的半导体，其电荷传输特性又是如何变化？J有机材料的载流子迁移率受诸多因素的影响，是各种因素共同作用的结果。n 型有机半导体分子晶体存在面对面的 - 堆积、鱼骨堆积、滑移的 - 堆积等堆积方式，而不同的堆积方式决定相邻分子的轨道重叠程度，即分子间电子耦合。通常认为平面刚性的分子完全面对面堆积最有利于 轨道重叠，从而有利于载流子在
5、分子间转移，然而实际情况是具有高迁移率的有机半导体材料（例如红荧烯和并五苯）却是鱼骨堆积。由此可见，分子间的电子耦合与分子结构和分子排列有着密切的关系，解决问题的关键在于由分子间相互作用入手，研究不同的分子堆积状态，进而确定分子间的电子耦合（转移积分）。此外，影响载流子迁移率的另一个因素是重组能，它由内外两部分组成，其中内重组能来源于给体和受体的平衡几何结构在电子转移过程中的变化，外重组能则源于电子和原子核引起的周围介质的极化和弛豫。高载流子迁移率的有机半导体材料要求重组能要小，转移积分要大。因此，在理论模拟和分子设计时要同时考虑这两个因素。近年来，在实验合成技术取得突破性进展的同时，电荷传输
6、的理论研究方法不断成熟，使我们能够从微观角度深入分析不同作用因素对材料传输性能的影响，从本质上分析材料空间几何结构-电子结构-电学性质之间的关系。Holstein最早提出描述一维有机分子晶体的电荷传输的小极化子模型8;随后，人们提出了局域和非局域电声耦合模型和Holstein-Peierls模型9，10研究低维导电聚合物，以及利用能带模型和跳跃模型研究有机半导体材料的传输特征11，12。我国的 清华大学、复旦大学、山东大学、南京大学、吉林大学、电子科技大学等科研院所对有机半导体分子结构、载流子迁移及电光特性进行了系统研究，并取得了丰硕的研究成果13-21。然而，目前人们的研究多局限于P型有机半
7、导体材料，但n型有机半导体材料的结构和性能的关系尚未被系统地深入研究。本项目我们将以n型有机半导体材料为研究对象，从理论计算的角度探讨影响材料电荷传输性能的主要因素，揭示材料的分子结构-分子间相互作用-分子堆积- 电子迁移率之间的复杂关系。同时利用分子掺杂方式构建新的分子模型，研究掺杂体系结构和电荷传输性质的关系。探究分子结构与物质性质，材料结构与性能之间的构效关系是其实际开发应用的支撑条件和理论基础，这也是本课题的基本科学意义所在。参考文献：1 Welter, S.; Brunner, K.; Hofstraat, J. W.; De Cola, L. Nature, 2003, 421,
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