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新型D-A型分子材料的制备及光电性质研究

作　者: 张家强
导　师: 贾春阳；张立功
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 四硫富瓦烯分子内电荷转移自组装离子识别染料敏化太阳能电池理论计算
分类号: TN604
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

最近几年来,含TTF官能团的D-A型(donor-acceptor)材料被广泛地应用于分子电子器件、化学传感器、有机场效应晶体管、有机光伏器件等。由于D-A型材料存在特殊的分子内电荷耦合作用,因此,可以通过合理设计材料的给体和受体来调节D-A型材料自身的电子结构和能级,并产生特殊的物理和化学性质。本文对一系列基于TTF电子给体的D-A型材料(TM1-TM11, LM1-LM2)进行了光电性质的实验或理论研究,希望该类材料能潜在地应用于分子电子器件、化学传感器、离子通道、有机半导体纳米器件和染料敏化太阳能电池等领域。1.对共轭结构的D-A型材料TM1-TM4进行了溶液体系的研究(电化学、吸收、荧光、自组装等)和理论研究(DFT, TD-DFT)。电化学研究发现材料TM1-TM4给受体之间存在较强的分子内电荷相互作用;UV-Vis测试表明该类D-A型材料存在分子内电荷转移现象;TM1和TM3可以自组装为规则的线状或带状纳米结构,而TM4自组装结构为无序化的树根状结构。DFT和TD-DFT的计算结果与实验一致,并解释了材料的电化学、光谱、荧光、自组装等相关性质。2.设计合成了具有配位官能团的TTF衍生物TM5-TM8。电化学测试和光谱性质表明这类材料存在给-受体之间的电荷耦合作用和分子内电荷转移现象。因该类材料具备配位官能团,可以与金属离子发生配位作用,并产生特定的光谱位移。因此,这类材料可以作为潜在的化学传感材料。3.对TTF官能团修饰的三芳胺染料(LM1-LM2)进行了DFT和TD-DFT的理论研究。计算结果表明材料LM1-LM2具有较好的共轭性能,有利于分子内的电荷转移。Mulliken电荷分析表明材料存在从TTF及三芳胺给体到氰乙酸受体的部分电荷转移;能级分析发现LM1和LM2的LUMO能级分别为-2.58ev和-2.54ev,能确保电荷从激发态染料向二氧化钛导带的注入;而HOMO能级也低于碘电解质的氧化还原电位,有利于氧化态染料的还原。与参比染料RD1-RD2相比,TTF修饰后的LM1-LM2染料具备与太阳光更为匹配的吸收光谱,有利于实现更高的光电转换效率。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章四硫富瓦烯的发展和应用  10-29
  1.1 TTF 的基本性质  10-11
  1.2 TTF 及其衍生物的发展和应用  11-27
    1.2.1 分子电子器件的起源和发展  11-17
      1.2.1.1 分子整流器  12-13
      1.2.1.2 分子开关  13-14
      1.2.1.3 有机场效应晶体管  14-15
      1.2.1.4 分子存储器  15-17
    1.2.2 基于TTF 的离子识别功能材料的研究进展  17-19
    1.2.3 TTF 及大环自组装研究进展  19-23
      1.2.3.1 TTF 衍生物自组装  20-22
      1.2.3.2 Schiff base 大环化合物自组装  22-23
    1.2.4 TTF 在有机染料敏化太阳能电池中的应用  23-27
  1.3 论文选题和研究内容  27-29
第二章基于TTF 的D-A 型共轭结构材料的光电性质研究  29-56
  2.1 基于TTF 的D-A 型化合物的设计  29-30
  2.2 共轭型D-A 结构材料的制备路线  30-32
  2.3 结果与讨论  32-51
    2.3.1 TM1-TM4 电化学性质研究  32-33
    2.3.2 TM1-TM2 的光谱性质研究  33-37
      2.3.2.1 吸收光谱  33-34
      2.3.2.2 氧化态吸收光谱  34-36
      2.3.2.3 电化学氧化  36-37
    2.3.3 材料发光性质研究  37-38
    2.3.4 TM3-TM4 的吸收光谱性质研究  38-40
    2.3.5 TGA 和DSC 分析  40-41
    2.3.6 自组装特性研究  41-44
    2.3.7 共轭型D-A 结构材料的理论研究  44-51
      2.3.7.1 Mulliken 电荷布居分析  45-46
      2.3.7.2 前线轨道分析  46-48
      2.3.7.3 光谱计算和PET 过程分析  48-51
  2.4 实验部分  51-55
  2.5 本章小结  55-56
第三章具有离子识别功能的D-A 型材料的制备和研究  56-74
  3.1 基于TTF 的离子传感化合物的设计  56-57
  3.2 具有配位和识别功能的D-A 型体系材料的制备路线  57-59
  3.3 结果与讨论  59-70
    3.3.1 TM5 的光电性质研究  59-64
      3.3.1.1 电化学性质研究  59
      3.3.1.2 吸收光谱  59-61
      3.3.1.3 配位性质  61
      3.3.1.4 荧光光谱  61-63
      3.3.1.5 理论计算  63-64
    3.3.2 TM7 的光电性质研究  64-70
      3.3.2.1 TM7 的电化学研究  64-65
      3.3.2.2 光谱性质  65-66
      3.3.2.3 离子识别研究  66-70
  3.4 实验部分  70-72
  3.5 本章小结  72-74
第四章基于TTF 的D-A 型大环材料的制备和物性研究  74-85
  4.1 基于TTF 的Schiff-base 大环化合物的设计和反应路线  74-75
  4.2 结果与讨论  75-83
    4.2.1 电化学研究  76
    4.2.2 吸收光谱  76-78
    4.2.3 氧化光谱  78
    4.2.4 自组装性质研究  78-81
    4.2.5 计算结果  81-83
  4.3 实验部分  83-84
  4.4 本章小结  84-85
第五章基于TTF 的D-D-π-A 型有机太阳能电池染料的理论研究  85-94
  5.1 基于TTF 的新型有机光敏染料的设计  85-87
  5.2 结果与讨论  87-93
    5.2.1 研究方法  87
    5.2.2 几何结构  87-89
    5.2.3 Mulliken 电荷分布  89-90
    5.2.4 前线轨道分析  90-91
    5.2.5 TD-DFT 激发态计算  91-93
  5.3 本章小结  93-94
第六章结论  94-97
附录  97-98
特别说明  98-99
致谢  99-100
参考文献  100-117
攻读硕士期间取得的研究成果  117-119

新型D-A型分子材料的制备及光电性质研究

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