齐分子PTV及共聚物-（PPP）-（PT）-电子光学性质研究

摘要

近年来，有机共轭聚合物在电学和光学应用方面呈现出极高的应用前途。在相当短的时间内，相当一批化学、物理和材料科学研究者在此领域取得了举世瞩目的成就，这类材料具有准一维结构，通过掺杂，电导率可从典型半导体到金属态水平。而且在有机聚合物中，载流子不再是传统半导体中的电子或空穴而是电子-晶格相互作用产生的局域元激发，如孤子、极化子或双极化子。在基态非简并体系中，根据聚合物链的长度，掺杂电荷的方式以及掺杂电荷的浓度等条件的不同，在掺杂电荷的聚合物链中可能产生极化子，也可能产生双极化子。因此，在实际的应用中，可以根据不同的要求来控制链长和掺杂电荷的方式，以便实现极化子和双极化子之间的转变。 为了更深层次地研究有机共轭聚合物复杂的物理、化学性质，首先必须研究相应的齐聚物。齐聚物是限定性良好的化学体系，即分子的共扼尺度可以很好地加以控制，研究分子尺度对电子、光学性质的影响，对设计新型的有机发光材料并了解它们在中性态、带电态下的各种电子、光学特征具有重要的指导作用。 聚噻吩乙炔(PTV)和聚对苯撑乙炔(PPV)、聚噻吩(PT)相比属于小带隙聚合物，在可见光谱范围内有较强的吸收，是光电器件最佳的候选材料；在掺杂的情况下具有较高的导电率，并且具有较强的环境稳定性；聚噻吩乙炔类似于聚乙炔不发光，但具有较高的载流子迁移率。基于以上特点，PTV在有机太阳能电池、有机场效应晶体管和全聚合物综合性电路方面有着潜在的应用价值。为了弄清楚齐聚物噻吩乙炔分子的中性态、带电态下的电子和光学性质，本论文采用Gaussian 03量子化学程序中的半经验AM1和ZINDO方法对其做了仔细地研究，首先确定PTV分子的基态几何构型，然后利用ZINDO方法计算得到最低激发能和吸收光谱最大吸收波长。 半经验的Austin Model 1(AM1)属于典型的量子化学理论计算方法，该方法能够很好地确定由C、H、O、N、S等元素组成的有机分子中性态下的几何结构和热力学性质。在忽略平衡离子的影响下，AM1方法同样适用于以上体系的带电态性质的研究。鉴于此，我们采用了Gaussian 03中的AM1和ZINDO近似方法，对齐分子PTV的中性态及带电态下的几何结构、电子和光学性质进行了探讨，经计算分析的结果如下： (一)计算齐分子PTV的几何结构、电子结构及其光学性质，发现体系中的掺杂能够导致噻吩基材料中的芳香环向醌环或半醌坏过渡，与中性态相比，带电态下其分子结构表现在C-C键键长发生显著的变化，单电荷掺杂导致极化子元激发，双电荷掺杂产生双极化子，掺杂4个电荷时，在聚合物链中产生两个分立的双极化子。通过半经验的．ZINDO方法对齐分子PTV的光学性质进行计算，发现其跃迁能随链长的增加而减小，表现为其光吸收谱出现红移。 (二)计算齐分子PTV的带电态的性质，从不同条件下的掺杂形式研究了极化子和双极化子的稳定性问题，发现在齐聚物噻吩乙炔链中产生的极化子稳定还是双极化子稳定需要一定的条件。在实际的应用中，可以根据不同的要求来调节掺杂电荷的方式、掺杂电荷的自旋多重度以及掺杂电荷波函数是否受限，来实现对极化子或双极化子的控制。 同时我们也对共聚物-(PPP)m-(PT)<,n>-的电子光学性质进行了研究，共聚物可分为两类：二嵌段共聚物与多嵌段共聚物，二嵌段共聚物中含有两种均聚物-(A)<,x>-、-(B)<,y>-，结构形式为-(A)<,x>-、-(B)<,y>-。Heeger等人证明，均聚物的尺度、配比对二嵌段共聚物的电子性质具有调制作用。本文研究了不同尺度及配比下的两嵌段共聚物-(PPP)m-(PT)<,n>-界面处的构象对其电子光学性质的影响，得到：中性态下界面处的扭转角为25°时构型最稳定，带电态下界面处的扭转角为0°时构型最稳定。在此基础上利用半经验的ZINDO方法仔细研究了该共聚物界面处构象的改变对其光吸收性质的影响，计算发现共聚物-(PPP)m-(PT)<,n>-的光吸收谱将依赖于界面处扭转角的变化，扭转角从0°到90°变化时，中性态下第一、二、三激发跃迁能随扭转角的增加而增加，而且随分子链长的变短和含苯环比例的增大，此种变化趋势越显著；在掺杂两个电荷的情况下，第一、二、三激发跃迁能随扭转角的增加而减小。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1聚噻吩乙炔分子性质研究的概况

1.2理论模型

1.3拟展开研究的内容

参考文献

第二章齐分子PTV的几何结构特征

2.1引言

2.2掺杂对齐分子PTV几何结构的影响

2.2.1中性态

2.2.2单电荷掺杂态

2.2.3双电荷掺杂态

2.2.4四个电荷的掺杂态

2.3齐分子PTV与PPV中性态、掺杂态的几何结构特征的比较

2.4小结

参考文献

第三章齐分子PTV中的极化子和双极化子及其稳定性

3.1引言

3.2计算结果与讨论

3.2.2 RHF和UHF方法对元激发态研究的比较

3.3.3掺杂态体系能量的计算

3.4小结

参考文献

第四章齐分子PTV的电子光跃迁性质

4.1引言

4.2单体尺度对齐分子PTV能带结构的影响

4.3齐分子PTV的电子光跃迁性质

4.3.1中性态

4.3.2掺杂态

4.4小结

参考文献

第五章界面构象对共聚物-(PPP)m-(PT)n-电子光学性质的影响

5.1引言

5.2理论方法

5.3对共聚物-(PPP)m-(PT)n-界面构象的分析

5.4界面构象对共聚物-(PPP)m-(PT)n-光吸收性质的影响

5.4.1中性态

5.4.2掺杂态

5.5小结

参考文献

总结

发表论文情况

致谢