有机半导体的电子电离能、亲和势和极化能的密度泛函理论研究

郭姿含 胡竹斌 孙真荣 孙海涛

引用本文: 郭姿含,  胡竹斌,  孙真荣,  孙海涛. 有机半导体的电子电离能、亲和势和极化能的密度泛函理论研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1171-1180. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704071 shu
Citation:  GUO Zi-Han,  HU Zhu-Bin,  SUN Zhen-Rong,  SUN Hai-Tao. Density Functional Theory Studies on Ionization Energies, Electron Affinities, and Polarization Energies of Organic Semiconductors[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(6): 1171-1180. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704071 shu

有机半导体的电子电离能、亲和势和极化能的密度泛函理论研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21603074,11474096)和上海市国际科技合作(16520721200)资助项目

摘要: 准确预测有机半导体的能级(如电子电离能和亲和势等)对设计新型有机半导体材料和理解相关机理至关重要。从理论计算的角度看,主要挑战来自于缺少一种不仅能够在定性上合理而且在定量上精确预测,同时并不显著增加计算成本的理论方法。本文中,我们证明了通过结合极化连续介质模型(PCM)和“最优调控”区间分离密度泛函方法能够准确预测一系列有机半导体的电子电离能(IP)、亲和势(EA)和极化能,其预测结果与实验数据吻合得很好。重要的是,经过调控后分子的前线分子轨道能量(即-εHOMO和-εLUMO)与对应的IP和EA计算值很接近。调控方法的成功可以进一步归因于其能够根据不同分子体系或同种分子所处的不同状态(气态和固态)“最优”地平衡泛函中分别用于描述电子局域化和离域化的作用。相比而言,其它常见的密度泛函方法由于包含的HF%比例过低(如PBE)或过高(如M06HF和未调控的区间分离泛函),均不能给予合理的预测。因此,我们相信这种PCM-调控的方法能够为研究其它更加复杂的有机体系的能级问题提供一种更加可靠和便捷的理论工具。

English

    1. [1]

      (1) Forrest, S. R.; Thompson, M. E. Chem. Rev. 2007, 107, 923. doi: 10.1021/cr0501590

    2. [2]

      (2) Heeger, A. J. Angew. Chem. 2001, 40, 2591. doi: 10.1002/1521-3773(20010716)40:14<2591::AIDANIE2591> 3.0.CO;2-0

    3. [3]

      (3) Klauk, H. (Ed.) Organic Electronics, Materials, Manufacturing and Applications; Wiley-WCH, Weinheim, 2006; pp 411-418.

    4. [4]

      (4) Müllen, K.; Wegner, G. Electronic Materials: The Oligomer Approach; Wiley-VCH: 1998; pp 235-275.

    5. [5]

      (5) Brédas, J. L.; Calbert, J. P.; da Silva Filho, D. A.; Cornil, J. Pro. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 5804. doi: 10.1073/pnas.092143399

    6. [6]

      (6) Pope, M.; Swenberg, C. E.; Pope, M.; Swenberg, C. E. Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2nd ed.; Oxford Univ. Press: New York, 1999; Chapter 2.

    7. [7]

      (7) Tang, C. W.; VanSlyke, S. A. Appl. Phys. Lett. 1987, 51, 913. doi: 10.1063/1.98799

    8. [8]

      (8) Bredas, J. L. Mater. Horiz. 2014, 1, 17. doi: 10.1039/c3mh00098b

    9. [9]

      (9) Kahn, A. Mater. Horiz. 2016, 3, 7. doi: 10.1039/c5mh00160a

    10. [10]

      (10) Krause, S.; Casu, M. B.; Schöll, A.; Umbach, E. New J. Phys. 2008, 10, 085001. doi: 10.1088/1367-2630/10/8/085001

    11. [11]

      (11) Ryno, S. M.; Risko, C.; Bredas, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6421. doi: 10.1021/ja501725s

    12. [12]

      (12) Sharifzadeh, S.; Biller, A.; Kronik, L.; Neaton, J. B. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2012, 85, 125307. doi: 10.1103/PhysRevB.85.125307

    13. [13]

      (13) Heimel, G.; Salzmann, I.; Duhm, S.; Koch, N. Chem. Mater. 2011, 23, 359. doi: 10.1021/cm1021257

    14. [14]

      (14) Hedin, L. Phys. Rev. 1965, 139, A796. doi: 10.1103/PhysRev.139.A796

    15. [15]

      (15) Hybertsen, M. S.; Louie, S. G. Phys. Rev. B 1986, 34, 5390. doi: 10.1103/PhysRevB.34.5390

    16. [16]

      (16) Chen, L.; Zhu, L.; Shuai, Z. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 13349. doi: 10.1021/jp0652998

    17. [17]

      (17) Fabiano, E.; Sala, F. D.; Cingolani, R.; Weimer, M.; Gorling, A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 3078. doi: 10.1021/jp044974f

    18. [18]

      (18) Hammond, J. R.; Kowalski, K. J. Chem. Phys. 2009, 130, 194108. doi: 10.1063/1.3134744

    19. [19]

      (19) Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, 140, A1133. doi: 10.1103/PhysRev.140.A1133

    20. [20]

      (20) Seidl, A.; Görling, A.; Vogl, P.; Majewski, J. A.; Levy, M. Phys. Rev. B 1996, 53, 3764. doi: 10.1103/PhysRevB.53.3764

    21. [21]

      (21) Cohen, A. J.; Mori-Sánchez, P.; Yang, W. Science 2008, 321, 792. doi: 10.1126/science.1158722

    22. [22]

      (22) Körzdörfer, T.; Brédas, J. L. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3284. doi: 10.1021/ar500021t

    23. [23]

      (23) Zheng, X.; Li, C.; Zhang, D.; Yang, W. Sci. China Chem. 2015, 58, 1825. doi: 10.1007/s11426-015-5501-z

    24. [24]

      (24) Mori- Sánchez, P.; Cohen, A. J.; Yang, W. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 146401. doi: 10.1103/PhysRevLett.100.146401

    25. [25]

      (25) Perdew, J. P.; Zunger, A. Phys. Rev. B 1981, 23, 5048. doi: 10.1103/PhysRevB.23.5048

    26. [26]

      (26) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

    27. [27]

      (27) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. doi: 10.1063/1.464913

    28. [28]

      (28) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785. doi: 10.1103/PhysRevB.37.785

    29. [29]

      (29) Refaely-Abramson, S.; Sharifzadeh, S.; Jain, M.; Baer, R.; Neaton, J. B.; Kronik, L. Phys. Rev. B 2013, 88, 1336. doi: 10.1103/PhysRevB.88.081204

    30. [30]

      (30) Baer, R.; Livshits, E.; Salzner, U. Annu. Rev. Phys. Chem. 2010, 61, 85. doi: 10.1146/annurev.physchem.012809.103321

    31. [31]

      (31) Kleinman, L. Phys. Rev. B 1997, 56, 12042. doi: 10.1103/PhysRevB.56.12042

    32. [32]

      (32) Stein, T.; Kronik, L.; Baer, R. J. Chem. Phys. 2009, 131, 244119. doi: 10.1063/1.3269029

    33. [33]

      (33) Kronik, L.; Stein, T.; Refaely-Abramson, S.; Baer, R. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 1515. doi: 10.1021/ct2009363

    34. [34]

      (34) Mennucci, B. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2012, 2, 386. doi: 10.1002/wcms.1086

    35. [35]

      (35) Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cammi, R. Chem. Rev. 2005, 105, 2999. doi: 10.1021/cr9904009

    36. [36]

      (36) Sun, H.; Hu, Z.; Zhong, C.; Zhang, S.; Sun, Z. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 8048. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b01975

    37. [37]

      (37) Sun, H.; Ryno, S.; Zhong, C.; Ravva, M. K.; Sun, Z.; Körzdörfer, T.; Brédas, J. L. J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 2906. doi: 10.1021/acs.jctc.6b00225

    38. [38]

      (38) Boese, A. D.; Martin, J. M. J. Chem. Phys. 2004, 121, 3405. doi: 10.1063/1.1774975

    39. [39]

      (39) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215. doi: 10.1007/s00214-007-0310-x

    40. [40]

      (40) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 13126. doi: 10.1021/jp066479k

    41. [41]

      (41) Sun, H.; Autschbach, J. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 1035. doi: 10.1021/ct4009975

    42. [42]

      (42) Körzdörfer, T.; Sears, J. S.; Sutton, C.; Brédas, J. L. J. Chem. Phys. 2011, 135, 204107. doi: 10.1063/1.3663856

    43. [43]

      (43) Stein, T.; Kronik, L.; Baer, R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2818. doi: 10.1021/ja8087482

    44. [44]

      (44) Ashcroft, N. W.; Mermin, N. D. Solid State Physics;Holt, Rinehart and Winston, New York, 1978, 9, 33. doi: 10.1002/piuz.19780090109

    45. [45]

      (45) Lu, T.; Chen, F. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580. doi: 10.1002/jcc.22885

    46. [46]

      (46) Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision A.01; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, 2009.

    47. [47]

      (47) Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393, 51. doi: 10.1016/j.cplett.2004.06.011

    48. [48]

      (48) Vydrov, O. A.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2006, 125, 234109. doi: 10.1063/1.2409292

    49. [49]

      (49) Chai, J. D.; Head-Gordon, M. J. Chem. Phys. 2008, 128, 084106. doi: 10.1063/1.2834918

    50. [50]

      (50) Sugiyama, K.; Yoshimura, D.; Miyamae, T.; Miyazaki, T. J. Appl. Phys. 1998, 83, 4928. doi: 10.1063/1.367309

    51. [51]

      (51) Dandrade, B.; Datta, S.; Forrest, S.; Djurovich, P.; Polikarpov, E.; Thompson, M. Org. Electron. 2005, 6, 11. doi: 10.1016/j.orgel.2005.01.002

    52. [52]

      (52) Hill, I. G.; Kahn, A.; Cornil, J.; dos Santos, D. A.; Brédas, J. L. Chem. Phys. Lett. 2000, 317, 444. doi: 10.1016/s0009-2614(99)01384-6

    53. [53]

      (53) Tang, J. X.; Zhou, Y. C.; Liu, Z. T.; Lee, C. S.; Lee, S. T. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 043512. doi: 10.1063/1.2966155

    54. [54]

      (54) Chan, C. K.; Kim, E. G.; Brédas, J. L.; Kahn, A. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 831. doi: 10.1002/adfm.200500402

    55. [55]

      (55) Chan, M. Y.; Lai, S. L.; Lau, K. M.; Lee, C. S.; Lee, S. T. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 163515. doi: 10.1063/1.2362974

    56. [56]

      (56) Pfeiffer, M.; Forrest, S. R.; Leo, K.; Thompson, M. E. Adv. Mater. 2002, 14, 1633. doi: 10.1002/1521-4095(20021118)14:22<1633::AID-ADMA1633>3.0.CO;2-#

    57. [57]

      (57) Sato, N.; Seki, K.; Inokuchi, H. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2 1981, 77, 1621. doi: 10.1039/f29817701621

    58. [58]

      (58) Kanai, K.; Akaike, K.; Koyasu, K.; Sakai, K.; Nishi, T.; Kamizuru, Y.; Nishi, T.; Ouchi, Y.; Seki, K. Appl. Phys. A 2008, 95, 309. doi: 10.1007/s00339-008-5021-1

    59. [59]

      (59) Wang, Y.; Gao, W.; Braun, S.; Salaneck, W. R.; Amy, F.; Chan, C.; Kahn, A. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 193501. doi: 10.1063/1.2117623

    60. [60]

      (60) Zahn, D. R. T.; Gavrila, G. N.; Gorgoi, M. Chem. Phys. 2006, 325, 99. doi: 10.1016/j.chemphys.2006.02.003

    61. [61]

      (61) Schwenn, P. E.; Burn, P. L.; Powell, B. J. Org. Electron. 2011, 12, 394. doi: 10.1016/j.orgel.2010.11.025

    62. [62]

      (62) Tian, X.; Sun, H.; Zhang, Q.; Chihaya, A. Chin. Chem. Lett. 2016, 27, 1445. doi: 10.1016/j.cclet.2016.07.017

    63. [63]

      (63) Sun, H.; Zhong, C.; Sun, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 2197. [孙海涛, 钟成, 孙真荣. 物理化学学报, 2016, 32, 2197.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201605301

    64. [64]

      (64) Hu, Z.; Zhou, B.; Sun, Z.; Sun, H. J. Comput. Chem. 2017, 38, 569. doi: 10.1002/jcc.24736

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  824
  • HTML全文浏览量:  133
文章相关
  • 发布日期:  2017-04-07
  • 收稿日期:  2016-12-27
  • 修回日期:  2017-03-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章