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摘 要

近年来，作为电子器件的关键部件，有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors, OFETs)因为其价廉、质量轻、可与柔性衬底兼容及可大规模制造等优点而备受关注。迁移率是衡量OFET性能的重要参数之一。本文根据噻吩中硫的位置不同，设计了二萘品苯并二噻吩(PiDT)分子及其顺反异构体等1-6分子，通过几何优化、计算重组能、转移积分、迁移率及芳香性等性质，讨论分子结构与载流子传输性质。结果表明，分子3 的空穴迁移率最高，最适合做空穴传输材料；而分子4和分子2计算所得的空穴和电子迁移率都较高，因此可以预期，分子4和分子2经过进一步化学修饰可以作为高迁移率的电子型或双极型有机场效应晶体管。

关键词：有机场效应晶体管，二萘品苯并二噻吩，迁移率，芳香性，载流子传输性质

Abstract：In recent years, Organic Field Effect Transistors (OFETs) have been widely used as key component of electronic devices because of their advantages of low cost, light weight, compatible with flexible substrates and large-scale manufacturing. Mobility is one of the important parameters for measuring the performance of OFET. In this paper, based on the position of sulfur in thiophene, 1-6 molecules of picenodithiophene (PiDT) molecule and its cis-trans isomer were designed. Through geometric optimization, calculation of reorganization energy, transfer integral, mobility and aromaticity, discuss molecular structure and carrier transport properties. The results show that the molecule 3 has the highest hole mobility and is most suitable for hole transport materials. The calculated hole and electron mobility of both molecule 4 and molecule 2 are high, so it can be predicted that the further modification of the molecule 4 and 2 can be used as high mobility electronic or bipolar organic field effect transistors.

Keywords: organic field effect transistors, picenodithiophene, mobility, aromaticity, carrier transport properties

目 录

1 前言 4

2 计算方法 4

3 结果与讨论 5

3.1 分子几何结构 5

3.2 前线分子轨道 5

3.3 迁移率 6

3.4 芳香性 9

结 论 11

参 考 文 献 12

致 谢 13

1 前言

晶体管由最初的真空三极管与点接触晶体管发展到后来的硅晶体管与场效应晶体管，应用广泛。近年来，随着酞菁、并苯类化合物等各类芳香化合物的合成以及C₆₀、碳纳米管等碳材料的发现，极大地促进了小分子材料在OFETs中的应用，使OFETs的材料和制备技术有了很大的进步。与无机场效应晶体管相比，OFETs具有价格低廉、可与柔性衬底兼容、器件尺寸小、集成度高、质量轻和可大规模生产等优点，应用前景广阔。^[1] OFETs可以用于交易卡、智能卡和身份识别卡等；或制成大面积器件、大规模互补集成电路；目前正致力于将其向微小型化方向发展，如虚拟屏幕等。

载流子迁移率是描述场效应晶体管在电场作用下载流子移动的难易程度，是衡量OFETs性能是重要参数之一。^[2]最近，Keita Hyodo等人实验合成了二萘品苯并二噻吩(picenodithiophene, PiDT)衍生物，分析了它们的理化性质及其在OFETs中的应用^[3]。本文选取了PiDT分子作为主体分子，考虑二萘品苯与噻吩融合硫原子的位置不同设计了其他五个PiDT分子的顺反异构体，对这六个分子几何结构进行优化后计算重组能、转移积分、迁移率和芳香性等，讨论比较六个分子的载流子传输性质。

2 计算方法

本文采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31g(d)水平对所有分子进行基态几何结构优化，经频率计算后确认分子为稳定结构。根据Marcus理论，迁移率由重组能和转移积分决定，本文以势能面曲线法计算内重组能，采用DFT在B3LYP/6-31g*水平对所有中性分子、阳离子态和阴离子态进行几何优化和单点能的计算。在Materials Studio中使用Polymorph模块对分子进行晶体预测，得到晶体结构后以PW91/TZ2P方法计算分子转移积分，根据重组能和转移积分计算分子迁移率。最后，用B3LYP/6-31 g*方法计算核独立化学位移(Nucleus Independent Chemical Shifts, NICS)，以此衡量分子芳香性。几何优化、重组能及芳香性计算采用Gaussian 09程序包^[4]完成，在MATLAB中计算迁移率。

3 结果与讨论

3.1 分子几何结构

考虑二萘品苯与两个噻吩融合位置即硫原子的位置不同，本文设计了如图1所示的syn-PiDT(1)、syn-1- PiDT(2)、syn-2- PiDT(3)、anti- PiDT(4)、anti-1- PiDT(5)、syn-3- PiDT(6)六个分子。应用B3LYP/6-31g(d)方法对所有分子进行几何结构优化，经频率计算确认为稳定结构的分子都具有良好的刚性平面，有利于电荷的转移跃迁。

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