新型光控载流子开关分子的设计、合成与应用研究

论文摘要

二芳基乙烯基全氟环戊烯分子具有优异的热稳定性和抗疲劳性,其开环态和闭环态的光化学性质显著不同,因而被广泛应用于各种光电器件如光存储、光开关等的研究。作为一种有机半导体,二芳基乙烯化合物的开环态和闭环态的π电子共轭程度不同,从而其电离能不同,即开环态和闭环态的HOMO能级不同,一般相差0.6eV左右。本论文以光控载流子开关为研究目标,将二茂铁官能团引入到二芳基乙烯分子体系中,设计合成了两个侧链取代基含有二茂铁官能团的二茂铁-二芳基乙烯化合物,调节了二芳基乙烯分子的结构和共轭程度,使得两种状态之间的HOMO能级差异（ΔIp值）增大,成功地获得了开环态和闭环态之间ΔIp值高达0.8eV的二茂铁-二芳基乙烯（DAE-12）分子,比一般现有二芳基乙烯分子的ΔIp值提高了30%以上。用此种二芳基乙烯分子作为载流子开关,设计出含有光控载流子开关层的OLED器件,可通过光电双控来达到载流子传输“开”与“关”的调节,首次获得了完全意义上的ON-OFF载流子全开关。实验表明,在阻挡层式光控载流子开关器件的设计中,要实现完全意义上的ON-OFF全开关,必须满足两个条件:一是作为光控载流子开关层的二芳基乙烯材料,必须具备足够大的开环态和闭环态之间的HOMO能级差异（ΔIp值）,在一种状态下有利于载流子的传输,在另一种状态下则可以顺利地阻挡载流子的传输;二是器件的各材料层之间的能级一定要互相匹配。量子化学计算的结果表明,大多数二芳基乙烯分子的开环态和闭环态HOMO都均匀分布在噻吩-全氟环戊烯-噻吩的分子骨架体系上,因而ΔIp值前后变化较小,绝大部分的二芳基乙烯分子的ΔIp实验值都在0.6eV左右。DAE-12分子开环态和闭环态的HOMO分布在不同的共轭体系上,因而其ΔIp实验值升高。这一计算结果说明光致变色二芳基乙烯分子的光控载流子开关分子的设计是基于ΔIp值的升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 二芳烯基乙类化合物作为光存储介质的研究进展
• 1.3 二芳烯基乙类化合物作为分子开关器件的研究进展
• 1.4 有机电子学
• 1.4.1 有机电致发光材料研究进展
• 1.4.2 有机 OLED 器件的发光机理
• 1.4.3 有机 OLED 器件的基本结构及常用材料
• 1.5 论文的主要内容
• 第2章 光控载流子开关分子的设计与合成
• 2.1 本章引论
• 2.2 试剂和仪器
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.3 光控载流子开关分子的设计
• 2.3.1 吸收波长
• 2.3.2 光响应速度
• 2.3.3 电离能
• 2.4 光控载流子开关分子的合成
• 2.4.1 溶剂的精制
• 2.4.1.1 四氢呋喃的精制
• 2.4.1.2 乙醚的精制
• 2.4.1.3 氯代正丁烷的精制
• 2.4.1.4 正己烷的精制
• 2.4.2 1,2-双（2,5-二甲基噻吩-3-基）全氟环戊烯的合成
• 2.4.3 1,2-双（2-甲基-5-R-噻吩-3-基）全氟环戊烯的合成
• 2.4.4 1,2-双（2-甲基-5-（4-R-苯基）噻吩-3-基）全氟环戊烯的合成
• 2.4.5 苯环取代的不对称二芳基乙烯化合物
• 2.5 合成方法的总结与讨论
• 2.6 光控载流子开关分子的光化学性质研究
• 2.6.1 溶液中的光致变色
• 2.6.2 PMMA 薄膜中的光致变色
• 2.7 本章小结
• 第3章 光控载流子开关的设计与应用
• 3.1 本章引论
• 3.2 试剂和仪器
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 仪器
• 3.3 二芳基乙烯化合物两种状态能级的测定
• 3.3.1 二芳基乙烯化合物循环伏安曲线的测定
• 3.3.1.1 溶液的配置
• 3.3.1.2 循环伏安的操作
• 3.3.1.3 循环伏安曲线
• 3.3.2 二芳基乙烯化合物两种状态的能级
• 3.4 二芳基乙烯化合物半导体性质的研究
• 3.4.1 设计原理
• 3.4.2 膜片的制作
• 3.4.2.1 基片清洗
• 3.4.2.2 真空蒸镀
• 3.4.2.3 双源掺杂蒸发蒸镀
• 3.4.3 器件的结构与测试结果
• 3.4.3.1 单层有机半导体器件的研究
• 3.4.3.2 双层有机半导体器件的研究
• 3.4.3.3 三层有机半导体器件的研究
• 3.5 光控载流子开关
• 3.5.1 阻挡层式光控载流子开关器件的设计依据
• 3.5.2 含阻挡层式光控载流子开关的新型 OLED 器件
• 3.5.3 传输材料对阻挡层式光控载流子开关器件设计的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 光控载流子开关分子的量子化学研究
• 4.1 本章引论
• 4.2 几种量子化学计算方法的介绍与比较
• 4.2.1 从头算法
• 4.2.1.1 组态相互作用法
• 4.2.1.2 全活性空间法
• 4.2.1.3 耦合簇理论
• 4.2.1.4 微扰理论
• 4.2.2 半经验量子化学方法
• 4.2.3 密度泛函理论
• 4.2.4 计算方法的选择
• 4.3 光控载流子开关分子的量子化学研究
• 4.3.1 分子结构的优化
• 4.3.2 计算结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 二芳基乙烯分子的结构式及其UV-Vis 光谱图
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果