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电子给受体共价键相联形成的有机分子以及聚合物材料具有结构可裁剪性、易于大面积制备等特点,在设计与合成具有电子传输(n型)、高载流子迁移率和窄带吸收等性质的有机半导体材料中扮演着不可替代的角色。然而,给受体型分子结构的设计及其对光电性能的影响规律还远不清楚。本论文从典型的噻吩类电子给体单元以及苝(萘)酰亚胺类电子受体单元出发,通过改变给受体单元的种类、它们之间的连接位置以及重复单元数目等合成了系列电子给受体型化合物;进一步,利用飞秒瞬态吸收光谱研究了给受体型分子结构对电子转移、能量传递等光诱导动力学过程的影响,取得了以下成果:
(1)设计合成了噻吩在苝酰亚胺腰位连接的给受体型系列寡聚物。稳态光谱和理论计算结果表明,噻吩和苝酰亚胺单元在分子中呈现几乎正交的构型,从而降低了给受体重复单元之间的共轭程度,因此不同共聚物之间的禁带宽度基本一致。然而,飞秒瞬态吸收光谱实验证实光诱导电子转移的动力学速率随着共聚物分子聚合单元的增多而加快。根据Marcus电子转移理论,分子内电荷偶合作用的增强是造成电子转移速率随着聚合单元的增加而加快的主要因素。这项工作定量化揭示了电荷转移过程与共聚物分子聚合度之间的关系。
(2)合成了噻吩和苝酰亚胺通过酰亚胺位置连接的给受体化合物。噻吩给体单元在酰亚胺位置的引入不影响苝酰亚胺受体单元的电子结构,但是苝酰亚胺的荧光大幅降低甚至完全淬灭,表明分子内存在着有效的电子转移过程。飞秒瞬态吸收光谱表明噻吩给体单元的数目对电子转移过程的速率有着非常大的影响。通过与噻吩和苝酰亚胺在腰位连接的分子相比较,发现噻吩单元在酰亚胺位置的引入不但不会改变给受体单元的电子结构和光谱特征,而且电子转移过程更快和更高效,这为人工光合作用体系的设计提供了新的设计途径。
(3)合成了含有一种电子给体(噻吩)和两种电子受体(萘酰亚胺与苯并噻二唑)的聚合物,其稳态紫外吸收光谱表明聚合物分子内出现了电荷转移态,使其长波带边延伸到了近红外区域,并初步探索了该化合物的光控二极管性能。