理论研究碘掺杂对聚合物导电性能的影响

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本工作主要利用密度泛函理论研究近三十年备受关注的有机导电聚合物的问题。我们分别计算了碘掺杂对聚吡咯和聚乙炔几何和电子结构性质的影响,通过选择掺杂剂和聚合物分子链的作用方式,以及相应聚合物,分析并总结了掺杂剂对有机导电高分子材料导电性能的影响。研究内容包括以下几点:第一节,主要介绍了有机导电聚合物的研究现状、发展进程、导电机理、应用与设计以及发展趋势。有机导电高分子材料凭借其优良的导电能力、良好的光学特性以及潜在的发展前景,已经得到了广泛的研究和应用。另外,还介绍了本次研究工作的主要内容和意义。第二节,我们系统的介绍和总结了本次研究工作所采用的计算方法,例如密度泛函理论(DFT),此外我们还列举了比较重要的理论分析手段,例如含时密度泛函理论(TD-DFT)。第三节.为了探究碘掺杂聚乙炔的导电性,考虑碘掺杂单链、双链和四链形式的聚乙炔,以及以垂直和平行方式掺杂,我们采用了密度泛函理论的B3LYP方法研究碘掺杂聚乙炔的几何和电子结构性质,对I2采用赝式基组(LANL2DZ),对其他非金属原子采用6-31g*基组进行计算。对比研究碘掺杂前后的键长交替(BLA)、能隙、电荷转移量等几何和电子性质,结果表明双链掺杂比单链掺杂更能影响PA的几何和电子结构。通过分析掺杂后的态密度(DOS)和局域态密度(PDOS)以及吸收光谱,阐明了碘与聚合物链的相互作用以及判断导电能力的依据。对掺杂单双链和四个链PA的前线分子轨道进行了分析,结果表明掺杂后电荷由聚合物链转移到碘分子上。我们的工作为I2掺杂聚乙炔提供了理论依据。第四节,采用密度泛函理论的B3LYP方法研究碘掺杂聚吡咯的几何和电子结构性质,对非金属原子和I2分别采用6-31g*和赝式基组(LANL2DZ)进行计算。在碘掺杂聚吡咯的探究中,我们考虑了碘I、工3-和I2三种存在形式。I-和I3-分别与聚吡咯只存在一种掺杂方式,而I2与聚吡咯的掺杂有三种形式。通过对比以上三种掺杂体系的稳定性,我们重点对I2以异面垂直的方式掺杂聚吡咯进行了研究,其最优掺杂比例为I:P=1:2。以四聚、六聚和八聚物为掺杂母体,对比掺杂前后的键长和能隙E g,说明掺杂影响了聚吡咯的几何和电子结构性质;前线分子轨道、局域态密度以及垂直吸收光谱等方面的分析,进一步说明了碘分子的参与改变了聚合物分子链的电子结构,从而有效提高了聚吡咯的导电能力,而且在掺杂比例不变的情况下,随着聚合度的增加,导电聚合物的能隙逐渐降低。
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