Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic trong vật liệu quang điện

• Tác giả: Trần Ngọc Dũng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Minh Huệ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất một số hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic ứng dụng trong chế tạo vật liệu quang điện
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở lý thuyết về vật liệu quang điện hữu cơ
• 1.2. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đi-ốt phát quang hữu cơ
• 1.3. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của pin mặt trời chất màu nhạy quang
• 1.4. Cơ sở lý thuyết hoá học lượng tử
• 1.5. Cơ sở lý thuyết phản ứng Heck
• 1.6. Hệ chất nghiên cứu
• 1.7. Hệ chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh
• 1.8. Hệ chất ngưng tụ chứa silic
• 1.9. Tình hình nghiên cứu các hợp chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh
• 1.10. Tình hình nghiên cứu các hợp chất ngưng tụ chứa silic
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
• 2.2. Phương pháp phiếm hàm mật độ
• 2.3. Phương pháp phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian
• 2.4. Bộ hàm cơ sở
• 2.5. Khả năng truyền dẫn điện tích
• 2.6. Phương pháp tính toán hóa học lượng tử
• 2.7. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 2.8. Dụng cụ và thiết bị
• 2.9. Quy trình phản ứng alkenyl hóa BDT
• 2.10. Phân tích cấu trúc sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hệ chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh
• 3.2. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hợp chất lưỡng cực dựa trên dibenzothiophene ứng dụng làm vật liệu chất mang trong OLED thế hệ thứ hai
• 3.3. Tổng hợp 2-Alkenylbenzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene bằng hệ xúc tác Pd/Cu/Ag và nghiên cứu cấu trúc bằng các phương pháp phổ thực nghiệm và tính toán lý thuyết
• 3.4. Thiết kế hệ chất bithiophene liên hợp chứa silole và một số dị vòng năm cạnh cho vật liệu quang điện
• 3.5. Hệ ngưng tụ chứa silic
• 3.6. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang điện của một số dẫn suất dithienosilole
• 3.7. Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của cầu nối π đối với hệ chất hữu cơ dạng D-π-A ứng dụng cho pin mặt trời polymer
• KẾT LUẬN CHUNG
• ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Cấu trúc hệ vòng ngưng tụ

Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic, đặc biệt là các hợp chất như dibenzothiophene và silole. Các hệ này được phân tích bằng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) để xác định cấu trúc hình học và tính chất điện tử. Kết quả cho thấy, hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh có cấu trúc thơm ổn định, trong khi hệ vòng ngưng tụ chứa silic có mức năng lượng LUMO thấp hơn, thuận lợi cho việc truyền dẫn điện tích.

1.1. Hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh

Các hợp chất như dibenzothiophene được nghiên cứu kỹ lưỡng nhờ tính chất bán dẫn và khả năng truyền tải điện tích tốt. Nguyên tử lưu huỳnh trong cấu trúc này có vai trò quan trọng trong việc hình thành tính thơm và tăng khả năng nhường electron.

1.2. Hệ vòng ngưng tụ chứa silic

Silole và các dẫn xuất của nó được đánh giá cao nhờ mức năng lượng LUMO thấp và khả năng truyền dẫn điện tích hiệu quả. Nguyên tử silic trong cấu trúc này cũng cho phép điều chỉnh tính chất vật liệu thông qua các nhóm thế khác nhau.

II. Tính chất hệ vòng ngưng tụ

Nghiên cứu đã phân tích tính chất hệ vòng ngưng tụ thông qua các thông số như năng lượng HOMO, LUMO, và khoảng cách vùng cấm (Egap). Các hợp chất chứa lưu huỳnh có khoảng cách vùng cấm lớn hơn so với các hợp chất chứa silic, điều này ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng của vật liệu.

2.1. Tính chất điện tử

Các hợp chất chứa lưu huỳnh có mức năng lượng HOMO cao hơn, trong khi các hợp chất chứa silic có mức năng lượng LUMO thấp hơn. Điều này làm cho hệ vòng ngưng tụ chứa silic phù hợp hơn cho các ứng dụng trong vật liệu quang điện.

2.2. Tính chất quang học

Các hợp chất chứa silic có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn nhờ khoảng cách vùng cấm nhỏ. Điều này làm chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các thiết bị quang điện như pin mặt trời và đi-ốt phát quang.

III. Ứng dụng trong vật liệu quang điện

Nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic trong vật liệu quang điện. Các hợp chất này có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị như OLED, pin mặt trời hữu cơ và transistor hiệu ứng trường.

3.1. Ứng dụng trong OLED

Các hợp chất chứa lưu huỳnh được sử dụng làm vật liệu phát quang trong OLED nhờ tính chất bán dẫn và khả năng phát xạ ánh sáng hiệu quả.

3.2. Ứng dụng trong pin mặt trời

Các hợp chất chứa silic được đánh giá cao nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng và truyền dẫn điện tích tốt, làm chúng trở thành vật liệu tiềm năng cho pin mặt trời hữu cơ.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) và phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TD-DFT) để tính toán cấu trúc và tính chất của các hợp chất. Các kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác.

4.1. Phương pháp DFT

Phương pháp DFT được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc hình học và tính toán các thông số điện tử như năng lượng HOMO, LUMO và khoảng cách vùng cấm.

4.2. Phương pháp TD DFT

Phương pháp TD-DFT được áp dụng để nghiên cứu tính chất quang học của các hợp chất, bao gồm khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng.

V. Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp chất chứa silic có tính chất quang điện tốt hơn so với các hợp chất chứa lưu huỳnh, đặc biệt là trong các ứng dụng như pin mặt trời và OLED. Các kết quả tính toán cũng đã định hướng cho việc tổng hợp thực nghiệm các hợp chất tiềm năng.

5.1. So sánh tính chất

Các hợp chất chứa silic có khoảng cách vùng cấm nhỏ hơn và khả năng truyền dẫn điện tích tốt hơn so với các hợp chất chứa lưu huỳnh.

5.2. Định hướng tổng hợp

Kết quả nghiên cứu đã đưa ra các gợi ý về việc thay đổi cấu trúc và nhóm thế để cải thiện tính chất quang điện của các hợp chất.