有機薄膜材料電荷傳遞性質之理論研究

羅志平

指導教授 ： 陳秋炳

國立清華大學/理學院/化學系/博士(2006年)

摘要

摘要：
本篇論文使用理論計算方式探討有機電激發光材料(OLED)及有機薄膜電晶體材料(OTFT)之電荷傳遞性質。文中以Marcus理論為出發點，利用理論計算的方式得到Marcus理論中與電荷傳遞速率有關的參數，分別為分子內部(λin)結構重整能量和電子偶合項(HDA)，並據此判斷物質中電荷傳遞速率之快慢，另外在OTFT部份，討論到金屬與有機材料的介面能障和電荷注入速率的關係，並據此判斷半導體的p型或n型。
在分子內部結構重整能量的計算部份，我們選擇B3LYP/6-31G*計算氣態分子之Vertical Transition所需的能量以估算λin值。在電子偶合項的計算部份，則主要以HF-KT方法估算晶體中參考分子與周圍分子所有接觸方式所具有的HDA值。由Marcus理論可知，當λin值越大時，電荷傳遞速率越慢，當HDA值越大時，電荷傳遞速率越快。
在Polyacene衍生物的研究部份，探討了三個OTFT材料電荷傳遞性質:一個N型半導體性質的TFMPA，以及兩個P型半導體性質的DTA和Rubrene。TFMPA和DTA由於取代基的差異改變晶體排列，以及其推拉電子效應使得HOMO分佈不同，兩者因素影響HAD的估算，TFMPA為電子傳輸材料，DTA為電洞傳輸材料。Rubrene因為phenyl的立體障礙，只在分子長軸的方向有好的π-π interaction，估算出沿此方向的HAD(a軸)有最大的電子偶合值，沿分子短軸的b方向則小。
在Oligothiophene的研究部份，由λin的計算結果可知，計算所得之λ+大於λ-，結構重整能量部份有利於電子傳遞，其趨勢變化λ+和λ-皆為: 2T > 3T > 4T > 6T，thiophen單元結構越多者，λin的值越小。HDA部份與λin相反，較有利於電洞傳遞，HDA(h) >HDA(e)，其HDA(h)趨勢變化依序為: 2T > 3T > 4T > 6T，thiophen單元結構越多者，HDA(h)的值越小。
在Bphen和BCP的研究部份，電子偶合項(HDA)是電荷傳遞最主要的決定因素。Bphen的λin值因為陰離子的變化較陽離子大並不利於電子傳遞，不過估算的四種傳遞路徑的HDA(e)都遠大於HDA(h)，因此是很好的電子傳輸材料。BCP的LUMO分佈受甲基影響與Bphen不同，估算出的 HDA值在HOMO和LUMO都大，但電洞傳遞具方向性侷限在bc平面上，電子傳遞各方向則較平均。
由以上幾個例子可看出，分子之HOMO與LUMO的分佈與接觸方式為電荷傳遞速率的主要影響因素。在Polyacene衍生物的例子中，anthracene的2,6位置做取代基改變，直接影響分子的電子軌域分佈與接觸方式，使TFMPA和DTA成為不同的電荷傳遞材料。考慮整體分子排列可以看出電荷傳遞的方向性。Rubrene在a軸有好的π堆疊，有利於電子偶合，沿此方向的電洞傳遞速率最快。
本篇論文由分子間接觸的特性與分子本身的性質，已初步探討電荷傳遞材料之電荷傳性質的由來。

關鍵字

有機薄膜 ； OTFT

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