【优秀硕士博士论文】新型有机半导体材料电荷传输性能与机理研究

,国家自然科学基金申请,新型有机半导体材料电荷传输性能与机理研究,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,1,报告内容,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,2,一、立项依据与研究背景二、研究目标与研究内容三、年度计划与预期目标四、研究基础与工作条件五、经费预算,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,一、立项依据与研究背景（1）,3,优点：成本低、大面积制造（利用溶液进行大面积旋涂、打印等）、柔韧性好、透明性好、超薄、重量轻等。,OLED,OPV(德国Heliatek:12%),OFET,3,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,一、立项依据与研究背景（2）,电荷传输的主要理论模型,能带模型,小极化子,跳跃模型,电荷完全离域,电荷部分离域,电荷局域,电声子耦合从弱到强,4,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,一、立项依据与研究背景（3）,在位移谐振子近似下，全量子电荷转移速率公式：,为振动模式j的声子布居数,为振动模式j的黄昆因子,高温极限下：,Marcus公式:,短时近似：,强耦合极限：,为振动模式j的振动频率，,5,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,一、立项依据与研究背景（3）,6,重组能：,转移积分：,H 和 S 分别为体系的哈密顿矩阵和重叠矩阵。,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,一、立项依据与研究背景（4）,7,Construct transport network；Evaluate kCTProbability for Generating a random number r (0r1)(5) If the charge is allowed to go (6) Diffusion coeff.,Einsteins relationship:,迁移率：,无论电荷传输的机理如何，电荷迁移率总是随着转移积分的增加而增加，随重组能的增加而降低。,无定形聚合物?,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,二、研究目标与研究内容,8,力场的选择与开发是利用分子动力学模拟无定形聚合物形貌的关键科学问题。建立无定形聚合物化学结构与电荷传输性能之间的联系。可极化力场的开发是精确计算重组能的关键。,研究目标,拟解决的关键问题,建立无定形聚合物的化学结构与电荷传输性能之间的联系，阐明电荷传输机理，进一步设计和开发高稳定性、高迁移率的有机半导体材料。开发可极化力场，并运用量子力学及分子力学相结合的方法（QM/MM）来精确计算重组能。,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,二、研究目标与研究内容,研究内容（1）：考察单链分子电子结构对电荷传输性能的影响。,9,合理构建模型： 空气稳定性好 注入势垒低 结构弛豫较小（重组能）,9,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,研究内容（2）：选择和开发合适的力场并运用分子动力学方法模拟聚合物的聚集形态，并在此基础上考察聚合物链之间转移积分的大小。,二、研究目标与研究内容,重复单元分子中不同取代基的位置、类型、数目和空间取向对聚集形态的影响；,M40t2059597716 chains are illustrated in 4 dierent color,10,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,研究内容（3）：电荷转移过程重组能的精确计算。,二、研究目标与研究内容,11,开发和利用量子力学和分子力学相结合的方法（QM/MM）来精确计算外部重组能，其中，MM部分需要能够合适描述极化现象的可极化力场。,QM,MM,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,二、研究目标与研究内容,12,研究内容（4-5）：考察各种外界因素对电荷传输性能的影响；设计和开发高稳定性及高性能有机半导体材料。,系统考察温度、压强和电场强度等外界因素对电荷传输性能的影响，揭示电荷传输的机理。基于上述研究，以具有高稳定性和高迁移率的材料为依托，通过化学修饰或改性，设计出具有更高稳定性和更高迁移率的电荷传输材料。,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,二、研究目标与研究内容,13,本项目的特色与创新点,运用基于第一性原理的各种量子化学方法和动力学方法，系统考察了化学组分对聚集物单链分子的电子结构以及聚集体的形态的影响，探讨了改善电荷传输性能的有效途径，建立化学结构与电荷传输性能之间的相关性，进而实现对电荷传输性能的可调控性和可预测性，并进一步阐述无定形聚集体的电荷传输机理。这为设计开发高稳定性和高迁移率的无定形聚合物提供了必要的理论依据和数据支持，是一项全新的研究工作。运用QM/MM方法精确计算无定形聚合物的外部重组能也是一项新颖的研究。,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,三、年度计划与预期目标,2014.1-2014.12，根据已有的实验信息，运用高精度的量子化学方法，合理构建聚合物的结构模型，系统考察聚合物的构象行为，确定其最稳定的构象，为后续研究建立统一的基准。系统探讨聚合物的电子结构，获得表征分子稳定性、电荷注入势垒以及内部重组能大小的各种性质参数，筛选出优质电荷传输材料以备后续研究。2015.1-2015.12，基于上述研究，利用分子动力学方法系统考察不同重复单元之间的相互组合对聚集形态的影响，并进一步通过化学修饰的方法，系统考察重复单元分子中不同取代基的位置、类型、数目和空间取向对聚集形态的影响。通过利用量子化学方法计算聚合物链之间的转移积分，预测电荷传输性能的高低。通过考察结构与性能之间的相互联系，揭示影响分子聚集的主导因素，实现对其他同类电荷传输材料性能的预测。 2016.1-2016.12，基于分子动力学模拟的分子聚集形态，选择合适的可极化力场或拟合部分参数，开发和利用量子力学及分子力学相结合的方法（QM/MM）来精确计算外部重组能，考察外部重组能对电荷传输性质的影响。2017.1-2017.12，综合考察温度、压强以及电场强度对电荷传输性能的影响。并总结提高电荷传输性能的有效途径，设计开发出具有高稳定性和高迁移率的电荷传输材料。,预期目标：SCI论文4-6 篇文章,14,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,四、研究基础与工作条件,研究基础近年来，课题组主要成员主要以理论与计算化学为主要研究方向，成功运用一些理论方法深入探讨了有机半导体材料中电荷传输的机理并成功预测出电荷迁移率，取得了一些重要的研究成果。申请人在攻读硕士学位期间主要从事理论与计算化学方面的相关工作，并获得了一定的研究进展，其成果以第二作者（导师为第一作者）在国际期刊Phys. Chem. Chem. Phys.上发表两篇论文，并在ChemPhysChem上发表一篇论文。目前，申请人主要从事有机半导体电荷传输方面的理论研究，已与实验合作发表了两篇文章，并学习了分子动力学软件和QM/MM方法。目前已围绕本申请课题，利用量子化学方法，对聚合物的电子结构方面的研究已取得了有意义的进展，为本项目的顺利实施奠定了良好的基础。,15,J. Zhang, J. Tan, Z. Ma, et.al J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 558-561. J. Zhang, Z. Ma, et.al. J. Mater. Chem. C. 2013, DOI: 10.1039/c3tc3 0776j.,清华大学化学系博士生资格考试模拟科研计划,四、研究基础与工作条件,工作条件,16,申请人所在课题组，即清华大学化学系帅志刚教授课题组，计算资源较充足，已具备包括1台登陆节点和38台计算节点的计算集群，并且购买了Gaussian、 Turbomole等相关计算软件，基本能够满足本申请项目研究的需求。不足之处在于，目前的计算资源