“Šakotų bipolinių ir linijinių elektronų akceptorinių organinių puslaidininkių struktūrų kūrimas, sintezė ir savybės” Daktaro disertacija

Autorius, institucija: Nadzeya Kukhta, Kauno technologijos universitetas

Mokslo sritis, kryptis: Technologijos mokslai, Medžiagų inžinerija – 08T

Mokslinis vadovas – doc. dr. Jolita OSTRAUSKAITĖ (Kauno technologijos universitetas, technologijos mokslai, medžiagų inžinerija – 08T)

Su disertacija galima susipažinti  Kauno technologijos universiteto bibliotekoje  (K. Donelaičio g. 20, Kaunas).

Medžiagų inžinerijos mokslo krypties disertacijos gynimo taryba:

prof. habil. dr. Sigitas Tamulevičius (Kauno technologijos universitetas, technologijos mokslai, medžiagų inžinerija – 08T), – pirmininkas,
prof. dr. Saulius Grigalevičius (Kauno technologijos universitetas, technologijos mokslai, medžiagų inžinerija – 08T),
prof. habil. dr. Saulius Antanas Juršėnas (Vilniaus universitetas, technologijos mokslai, medžiagų inžinerija – 08T),
dr. Roman  LYTVYN (Kauno technologijos universitetas, fiziniai mokslai, chemija – 03P),
prof. dr. Andrew MONKMAN (Durhamo universitetas, Jungtinė Karalystė, fiziniai mokslai, fizika – 02P).

Anotacija:

Organiniai puslaidininkiai niekuo nenusileidžia, o kartais net ir geresni už savo neorganinius analogus, todėl jie sėkmingai taikomi gaminant tokius prietaisus kaip organiniai šviesos diodai (OLED), organiniai lauko tranzistoriai (OFET) ir organiniai fotovoltiniai elementai (OPV). Norint pagaminti aukštų parametrų organinius puslaidininkius, reikia atsižvelgti į tokius parametrus kaip cheminis ir šiluminis stabilumas bei atsparumas, krūvininkų pernaša, šviesos sugertis, aukštas fotoliuminescencinis kvantinis efektyvumas, reikiami energijos lygiai ir tinkamos morfologinės savybės. Atitinkamai, norint pagaminti efektyvius prietaisus ir sukurti naujus junginius, reikia gerai suprasti, kaip nuo medžiagos elektroninės struktūros priklauso jos savybės.
Pastaraisiais metais atliekami išsamūs bipolinių junginių su fluoreno, karbazolo, trifenilamino donorais ir triazino, trifenilbenzeno, fluorenono, benzonitrilo bei naftalentetrakarboksilinės rūgšties dianhidrido akceptoriais tyrimai. Paprastas funkcionalizavimas ir konjugacijos stiprumo varijavimas leidžia sukurti plačią struktūrų įvairovę. Įvairiai jungiant prieš tai minėtus fragmentus sukuriamos bipolinės molekulės, turinčios įvairias būtinas savybes.
Šio darbo tikslas buvo sumodeliuoti ir susintetinti naujus optoelektronikoje taikomus bipolinius junginius ir išsamiai ištirti jų savybes. Kitas darbo tikslas – palyginti praktiškai gautas charakteristikas su teoriškai prognozuotomis ir įvertinti naujų junginių pritaikomumą optoelektroniniuose prietaisuose.
Disertacijos tikslams pasiekti buvo iškelti tokie uždaviniai:Susintetinti bei ištirti topologijos įtaką bipolinių žvaigždės formos 2,4,6-trifenil-1,3,5-triazino ir 1,3,5-trifenilbenzeno darinių savybėms.

• Susintetinti ir ištirti bumerango formos junginių su bikarbazolilo fragmentais savybes.
• Sumodeliuoti, susintetinti bei ištirti multichromoforinių fluorenono fragmentą turinčių junginių savybes ir įvertinti jų emisijos ypatybes.
• Sumodeliuoti, susintetinti įvairius karbazolo ir ciano-pakeistus 1,3,5-trifenilbenzeno darinius, palyginti teorines bei praktines charakteristikas ir įvertinti savybes organiniuose šviesos dioduose.
• Susintetinti ir charakterizuoti elektronus pernešančius 1,4,5,8-naftalentetrakarboksilinio dianhidrido darinius; įvertinti savybes tūrinės heterosandūros saulės elementuose.

Šiame darbe yra pristatyta šakotų bipolinių ir linijinių elektronų akceptorinių organinių puslaidininkių struktūrų  kūrimas, sintezė ir savybės.
Susintetintos dvi serijos junginių su triazino ir trifenilbenzeno pagrindais ir fluoreno šoninėmis atšakomis. Šie junginiai pasižymėjo puikiu terminiu stabilumu (T_ID iki 434 °C), aukštomis fluorescencinės kvantinės išeigos reikšmėmis (iki 0.70) ir žymia priklausomybe nuo tirpiklio poliškumo. Nustatyta, kad ryšių topologija daro didelę įtaką triazino darinių geometrijai ir, atitinkamai, savybių skirtumams. Krūvininkų pernašos matavimai atskleidė dispersinę skylių pernašą su aukščiausiomis skylių judrio reikšmėmis nustatytomis junginiams su etenilo ryšiais.
Suprojektuotos ir susintetintos trys bumerango formos molekulės su įvairiomis centrinėmis dalimis ir bikarbazolilo šoninėmis atšakomis. Pasitvirtino, kad bikarbazolilo grupė yra stipresnis donoras nei vienas karbazolo fragmentas ir turi žemesnį jonizacijos potencialą bei pasižymi puikiu terminiu ir elektrocheminiu stabilumu. Nustatyta intensyvi mėlyna emisija su fotoliuminescencinėmis kvantinėmis išeigomis siekiančiomis 0.93 ir tripleto energijomis intervale nuo 2.44 iki 2.68 eV. Šie junginiai pasižymėjo vidutiniškai žemomis IP reikšmėmis (5.45-5.50 eV).
Sumodeliuoti ir paruošti trys multichromoforiniai junginiai fluorenono pagrindu. Šios medžiagos pasižymėjo puikiu terminiu stabilumu (T_ID iki 500 ^oC) ir aukšta stiklo perėjimo temperatūra (T_g iki 293 ^oC). Šie junginiai pasižymėjo ambipoliarine krūvininkų pernaša su subalansuotu skylių ir elektronų judriu. Fluorenono dariniai pasižymėjo aukšta fotoliuminescencine kvantine išeiga (iki 0.90) nepolinėje terpėje, prislopinta emisija polinėje terpėje ir AIEE savybe. Atsižvelgiant į eksperimentinius ir teorinius rezultatus, pasiūlytas tirtų medžiagų emisijos mechanizmas.
Paruošti penki bipoliniai 1,3,5-trifenilbenzeno pagrindo junginiai su įvairia pakaitų geometrija (para– ir meta-konjugacija), jungiančia karbazolilo donorą ir nitrilo akceptorių. Šios medžiagos pasižymėjo puikiomis terminėmis savybėmis (T_ID 401-480 ^oC; T_g 128-228 ^oC). Šiems junginiams nustatytos vidutiniškai žemos jonizacijos potencialo reikšmės (5.36-5.58 eV). Nustatyta, kad junginių savybėms didelę įtaką daro pakaitų orientacija. Para-konjugacija pasižymėjo aukštesnėmis T_ID ir T_g, žemesne IP, išskirtine skylių pernaša ir uždelstos fluorescencijos buvimu; junginiams su meta-ryšiu nustatyta ambipolinė skylių pernaša ir aukštesnės tripleto energijos.
Paruoštos dvi serijos simetrinių ir asimetrinių elektronų pernašos medžiagų 1,4,5,8-naftalentetrakarboksilinio dianhidrido pagrindu. Aukštas terminis stabilumas (T_ID 376-481 ^oC) parodė, kad medžiagos yra tinkamos vakuume apdorojamiems organiniams saulės elementams. Dėl mažesnės parazitinės sugerties, gauti simetriniai ir asimetriniai junginiai yra optiškai pranašesni lyginant su standartiniu elektronų pernašos junginiu C₆₀. Asimetriniams dariniams nustatytas aukštesnis laidumas (iki 4 · 10^-5 S cm^-1) ir elektronų judris (iki 10^-3 cm² Vs^-1). Šie junginiai pasižymėjo aukštomis giminingumo elektronui reikšmėmis (3.84-4.15 eV). Perspektyviausias asimetrinis junginys išbandytas saules elemente ir parodė energijos konversijos efektyvumą lygų 7.9 %, kuris viršijo saulės elemento su C₆₀ reikšmę (7.7 %) dėl geresnio užpildymo koeficiento (65.7 % lyginant su 64.1 %).