0 1引言

有機(jī)半導(dǎo)體材料可廣泛應(yīng)用于OLED、OPVC或OFET中，為開發(fā)具有優(yōu)異光電性能的新型有機(jī)半導(dǎo)體材料，需要深入研究有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

富勒烯已廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，而作為富勒烯片段的彎曲多環(huán)芳香化合物（π碗），因其獨(dú)特的性質(zhì)而受到越來越多的關(guān)注，可廣泛應(yīng)用于儲鋰、儲氫和光電子器件等各個(gè)領(lǐng)域。葵烯（Sumanene）是具有C3V對稱的π碗代表，于2003年首次合成后，人們發(fā)現(xiàn)其衍生物可用作有機(jī)半導(dǎo)體材料。然而由于合成困難，只有少量的葵烯衍生物在實(shí)驗(yàn)中被報(bào)道。眾所周知，引入不同的取代基可以大大改善有機(jī)半導(dǎo)體材料的性能，尤其是引入氟原子是開發(fā)新材料的常用方法，不僅可提高有機(jī)分子材料的穩(wěn)定性甚至可以將p型材料變?yōu)閚型材料。因此從理論上系統(tǒng)地研究葵烯芳基氟取代衍生物分子結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的關(guān)系是十分必要的。

0 2成果簡介

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并系統(tǒng)地研究了葵烯苯基氟取代衍生物，利用了Gaussian16程序包進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算，并利用了鴻之微MOMAP軟件定量描述并預(yù)測分子的發(fā)光性質(zhì)。通過深入討論分子的幾何結(jié)構(gòu)、前線分子軌道、電離勢、電子親和能、重組能、吸收光譜、熒光發(fā)射光譜、輻射速率、非輻射衰變速率和熒光量子產(chǎn)率等，探究了氟原子的數(shù)目和位置對葵烯衍生物光電性能的影響，尤其發(fā)現(xiàn)了不同異構(gòu)體間的性質(zhì)差異，從而建立了葵烯芳基取代衍生物分子結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并開發(fā)基于此類化合物的新型有機(jī)半導(dǎo)體材料提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖1 葵烯及其芳基（苯基）氟化衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、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(shù)值用以方便對比異構(gòu)體間的性質(zhì)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(nèi)轉(zhuǎn)換速率(kic)。

0 4小結(jié)

計(jì)算結(jié)果表明，在葵烯芳基上引入氟原子取代基對分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)均有顯著的影響，主要結(jié)論有以下幾個(gè)方面：

1. 在幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)方面，氟原子的引入對“碗”內(nèi)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(gè)數(shù)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(yùn)性質(zhì)方面，葵烯芳基氟取代衍生物中氟取代數(shù)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(gòu)體更有利于電子和空穴輸運(yùn)。

3. 在光學(xué)性質(zhì)方面，隨著葵烯芳基上氟原子數(shù)量增加，其熒光發(fā)射能(S1→S0)減小，發(fā)光波長增大。對于二氟、三氟和四氟取代葵烯異構(gòu)體中，5、7和13比它們各自的異構(gòu)體更利于電荷輸運(yùn)和熒光發(fā)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(fā)射。

4. 此外，我們還可以從計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)成良好的光電材料。

綜上，我們的研究可為實(shí)驗(yàn)中基于葵烯芳基取代衍生物的新型碗狀有機(jī)光電材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論參考。