有机电荷转移复合物晶体的电学性质研究

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有机电子给体受体电荷转移复合物,是有机电子学领域的一个重要研究对象,其具有很多独特的光、电、磁等物理、化学性质。在最近的几十年里,对于这类电荷转移复合物的研究一直倍受关注。但是,到目前为止,有关研究还存在以下几个方面的问题:i)过去有机给-受体电荷转移复合物的研究主要关注其金属及超导电性,对其半导体性质的研究目前还处于初步阶段,在性能优化和材料体系等方面还有很大的研究空间;ii)对于这种电荷转移复合物的热学和电学传输过程的研究还不够充分,缺乏有效的指导原则和设计理念,传输机制及理论体系尚未完全建立;iii)随着有机电子学的发展,有机热电材料逐步成为一个新的研究方向,电荷转移复合物因具有容易制备、结构清晰、高本征电导等优点,对其热电性质的探索具有重要的实验和理论意义,但相关报道还较少。本论文针对上述问题,开展了电荷转移复合物的双极性输运半导性质、热电性能等研究工作,取得了一些创新性的结果,主要内容如下:  1:以共轭体系扩展的TCNQ衍生物作为电子受体,二苯基四硫杂轮烯(DPTTA)为电子给体,制备了两种新型混合堆积的电荷转移复合物,并研究了其单晶场效应器件性能。测试结果显示这两个复合物(DPTTA-DTTCNQ,DPTTA-SNTCNQ)均为双极性材料,其中DPTTA-DTTCNQ的电子和空穴迁移率分别达到0.24 cm2 V-1s-1和0.77 cm2 V-1 s-1,在当时是有机给受体复合物体系中的最高值。晶体结构分析和量子模拟表明,电子偶合和超交换作用在该复合物晶体中同时存在,并且形成了一个准二维的电子和空穴传输网络,揭示了载流子有效传输的内部机理。  2:以氟原子取代的TCNQ衍生物作为电子受体,DPTTA为电子给体,制备了两个电荷转移复合物,系统研究了它们的晶体结构,电输运性质,并对结果进行了理论模拟。其中DPTTA-DFTCNQ复合物的单晶场效应器件显示了高达1.57cm2 V-1 s-1的空穴迁移率和0.47 cm2 V-1 s-1的电子迁移率,显示了有效的双极性传输性质。理论模拟认为沿着给受体堆积方向存在着强的超交换偶合,而这正是电荷能够有效传输的根源。超交换偶合的大小不仅取决于分子间的堆叠距离和结构,而且与相邻给受体之间的能级有关。本节中有关载流子传输机制和结构与性能关系的理解将为新型双极性有机给受体复合物的设计提供重要指导。  3:以有机给受体电荷转移复合物DPTTA-TFTCNQ晶体为对象,研究了其导电性质和Seebeck效应。结合理论计算分析了有机给受体复合物中给受体之间电荷转移、晶体结构、热电性质之间的相互关系,探讨了有机电荷转移复合物作为高性能有机热电材料的发展前景。
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