有机半导体材料载流子传输特性的理论研究

Although a great deal of research has been conducted on the basic physical patterns and machanisms of charge transport, energy transfer, and optoelectronic transforms, numerous crucial problems still remain and the further development confronts difficulty and stays unrevealed. In this proposed project, a joint theoritical study combined quantum chemistry calculations and molecular dynamics was suggested to investigate the charge mobility of organic crystal and conjugated polymer materials. The quantum calculations at the particular state, various temperature, moment, and initial structure for optimization. Various factors that would influence the charge mobility have been assessed including charge-molecular vibration coupling, excitons transport and seperation, molecular orbital planarity and polaron-related transport etc.to try to find the variation at different temperature and time scale. The anisortropy of charge mobility in organic crystal, the particular charge transport process and mechanism among the conjugated polymer chain were intended to be revealed and a rational model was expected. The insight into the unique characteristics through the theoretical methods could provide more rational prediction of charge mobility for organic materials.

有机材料中电子迁移、能量传递、光电转换机理等基本物理过程仍未形成公认合理的理论模型，这已经成为有机电子学发展的瓶颈。本项目针对目前有机半导体的载流子传输的特殊行为过程，采用量子力学和动力学模拟相结合的方式，研究小分子晶体材料以及共轭高分子材料的载流子迁移机理。以动力学模拟的手段获得材料分子在不同温度、时间和初始状态条件下的材料组织结构，以量子力学计算的手段获得在不同组织结构条件下的载流子迁移率，研究影响载流子迁移率的因素：载流子和分子的振动耦合、激子传输及分离过程的作用、分子平面性极化相关性对分子轨道的影响等，从而获得不同时间、空间、温度尺度下的载流子迁移率的变化规律，探索有机分子晶体内载流子迁移的各向异性、共轭高分子链内载流子迁移的特殊过程和机理。通过理论方法认识有机半导体材料载流子迁移过程本质和独特行为特征，建立较为合理的理论模型，有效预测有机半导体材料的载流子迁移率。

有机材料中电子迁移、能量传递、光电转换机理等基本物理过程是有机电子学领域的重要核心研究内容。本项目围绕有机半导体材料的结构和光电性质之间的关系开展，采用杂原子桥联策略，充分利用杂原子与π共轭体系的多种相互作用，设计一系列新型有机半导体材料分子。将量子化学理论研究方法和实验紧密结合，对分子间相互作用、光电过程机理、激发态调控、材料性能调控进行深入分析。包括：杂化的大平面DTBT衍生物、软共轭小分子、刚性小分子、嵌段/柔性共轭大分子等目标结构，从稳定激发态通道及激子释放途径来阐释纯有机余辉发光机制，考察分子间堆积结构的影响；探索分子内化学键共振对载流子注入与传输机制的影响，分析N-P=S共振结构的动态自调节机理及性能；通过杂原子构建软共轭分子构型，研究分子内弱相互作用的影响；调控三线态激子形成截面改善光电器件性能，选择性提高电致磷光器件效率；设计N-Si键增强分子共轭程度来改善载流子传输性质；通过对分子对称性的控制来实现调控激发态的单线态-三线态电子性能；基态-激发态-溶剂化相互作用对共轭聚合物/寡聚物光物理性质的影响。系统阐述有机半导体载流子的特殊行为机制和影响因素，并分析和预测其光电性质。在本项目资助下，相关研究成果在Nature Materials、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters等高水平SCI学术期刊上发表论文23篇。培养了5名具有综合科研背景的研究生，1名硕士获得国家奖学金，1名博士生毕业后在国内知名高校获得教职。该项目的实施对进一步理解和发展分子设计策略，揭示出杂原子对有机半导体材料载流子传输和激发态调控方面的相关机理有重大作用，指导设计出了一系列有机长余辉发光材料及具有动态自适应特性的智能材料分子，有效促进了有机光电材料的理论和应用的发展。