三明治型金属酞菁配合物-富勒烯界面的构筑及其电荷分离过程研究

Utilizing solar energy is one of the main solutions for the enery crisis faced these days. Electron donor-acceptor interface, a key part of organic photovatlic devices, is the place where the separation for the excitons produced by incident light takes place and one of the cricual factors to determine the effecience of the devices. Understanding the charge separation proecess on such interface provides a base for improving the effeicience of the current devices and designing new-type photovaltice device. In this project, synchrotron-based resonannt photoemission specscopy (RPES) and scanning tunneling microscopy (STM) are adopted to study the charge sepration process at donor-acceptor interfaces consisted of sandwich-type metal phthalocyanio complex and fullerene. A series of sandwich-type metal phthalocyanio complex with various incorporated metal atoms will be synthesized and used to combine with fullerene to form donor-acceptor interfaces. The influences of interfacial geometry on intermolecular coupling will be revealed by the combination of scanning tunnelling specscopy and density funciton theory calculations based on high-resultion STM observations to the interfaces. The dependence of charge separation time across interfaces on the intermolecular coupling between donor molecule and accoptor molecule, which throws a light on understanding the mechanism for interfacial charge separation, will be deduced from the REPES measurements for a series of metal complex/fullerene interfaces. The performance of this project is helpful to choose suitable donor-acceptor pairs for organic photovatlic devices with higher effecience and also can be useful to ultilize the charge transfer across organic molecule-organic molecule interfaces to design new type organic devices with novel functions.

开发和利用太阳能是世界各国缓解能源危机和开发新能源技术的重要举措。电子供体-电子受体界面是有机太阳能电池器件的重要组成部分，在该界面处的电荷分离是器件实现光电转换的起点，也是决定器件转换效率的最直接因素。探索电子供体-电子受体界面电荷分离过程及其机制是提高器件光电转换效率、设计新型器件的关键之处。本申请拟采用同步辐射共振光电子谱和扫描隧道显微技术，以三明治型金属酞菁配合物/富勒烯为研究体系，设计和合成镶嵌不同金属类型的系列三明治型金属酞菁配合物，确定该类金属配合物与富勒烯之间的界面结构，明确分子构型对分子间耦合强度的影响，测量界面处电荷分离时间，构造界面电荷分离时间对分子间耦合强度的依赖关系，探索电子供体-电子受体之间的电荷分离机制。这一基础研究能够帮助理解有机分子-有机分子界面的电荷转移过程，为进一步开发基于有机分子的新型器件奠定基础，具有重要的科学意义和潜在的应用前景。

本项目主要研究内容是以电子供体-电子受体界面在有机太阳能电池中的应用为背景，系统研究有机分子-有机分子界面的几何和电子结构，观测电荷分离及其动态过程，建立电荷分离时间与界面结构、分子间耦合强度的依赖关系。..研究了甲基苯基团在Cu(110)表面的脱氢偶联反应，发现该偶联反应是在甲基以及邻位的CH位置连续发生，在分子间形成了一个六元环、两个芳香环、三个芳香环；..采用红荧烯制备了二维有序分子模版，通过该类模板实现对富勒烯分子的吸附位置的控制。富勒烯分子在该类模板上首先倾向形成由二聚体或三聚体构成的链状结构，并随着富勒烯分子覆盖度的增加逐渐形成了由分子链组成的有序阵列；研究了初始分子自组装结构对脱卤素聚合形成的分子链方向的影响，发现带溴原子的大共轭分子在Au（111）表面形成夹角为120度的分子链。通过比较聚合物链与自组装结构的取向，发现自组装结构中的任意分子顺时针或者逆时针转动60度后才能与相邻的分子发生聚合，从而导致聚合后分子链沿着特定方向排列。.在均苯三酸/壬酸体系中，通过添加金属离子到溶液中，研究了金属类型对均苯三酸自组装结构的调控作用。观测结果表明最外层没有空余轨道的Ag+离子和Zn2+离子不与均苯三酸分子形成配位键，而是束缚在由均苯三酸构成的纳米级的孔洞中，并且孔洞中的金属离子数目可通过离子的浓度调控；最外层有空余轨道的Cu2+离子、Mn2+离子和Fe3+等金属离子会和均苯三酸的羧基配位形成金属有机配位结构，并且配位数目取决于引入的金属离子的价态。系统研究了二苯基卟啉在Ag (110)表面上的脱氢环化反应，发现该种脱氢环化反应分为两步：首先发生分子内的脱氢环化反应，从而使苯环面扭转到与表面衬底平行的位置；其次分子之间发生脱氢环化反应，形成两个β-meso键，从而在两个相邻的分子间形成了一个新的六环π共轭结构。..在欧洲化学等国际期刊上已发表SCI论文17篇，部分工作还在整理成文中。