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
Hóa lí thuyết và Hóa lí
Luận án tập trung nghiên cứu cấu trúc và tính chất của một số hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic, ứng dụng trong chế tạo vật liệu quang điện hữu cơ. Vật liệu quang điện hữu cơ được ưu tiên nhờ chi phí thấp, dễ sản xuất, và khả năng tùy biến cao. Các hợp chất dị vòng chứa lưu huỳnh (như thiophene) và silic (như silole) đóng vai trò quan trọng trong các vật liệu này, với silole đặc biệt hứa hẹn nhờ mức năng lượng LUMO thấp và khoảng trống HOMO-LUMO nhỏ, dẫn đến hiệu suất phát quang và khả năng truyền dẫn điện tích tốt.
Mục đích chính của luận án là mô phỏng và dự đoán mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của các hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic bằng các tính toán hóa học lượng tử, nhằm định hướng cho quá trình tổng hợp thực nghiệm các cấu trúc ưu việt. Luận án đã khảo sát và nghiên cứu một cách có hệ thống các tính chất về mức năng lượng HOMO-LUMO, khả năng truyền tải điện tích và tính chất quang của 5 hệ chất dị vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic, bao gồm gần 200 hợp chất khác nhau, sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) và phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TD-DFT). Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy sự phù hợp tốt với thực nghiệm, với sai số trung bình dưới 5%, chứng tỏ cách tiếp cận hoàn toàn phù hợp và đáng tin cậy.
Các điểm nổi bật bao gồm việc thay thế dị tố nitrogen vào các nhóm –CH trong hợp chất gốc M0, tạo ra 21 hợp chất mới, trong đó hai hợp chất D3a và D3b thể hiện mức năng lượng kích thích triplet cao, tiềm năng làm chất mang lưỡng cực cho OLED phát xạ ánh sáng màu xanh. Luận án cũng tổng hợp thành công các hợp chất 3a-3e từ BDT với xúc tác Ag2O giá thành thấp, đạt hiệu suất 48%, và chứng minh cấu trúc sản phẩm bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ 1 chiều, 2 chiều và tính toán hóa học lượng tử. Các hợp chất này là tiền chất cho chất màu nhạy quang, ứng dụng trong pin mặt trời.
Nghiên cứu cũng làm rõ quy luật ảnh hưởng của các nhóm thế hút và đẩy electron đến tính chất bán dẫn và quang học của các hợp chất. Đặc biệt, trong hệ chất bithiophene, các hợp chất có nhóm thế phenylsilolyl cho thấy giá trị λh, λe nhỏ và cân bằng hơn so với các nhóm thế khác, đồng thời có giá trị LHE cao hơn đáng kể. Các dẫn xuất của dithienosilole được nghiên cứu có khả năng vận chuyển điện tích tốt, thích hợp làm vật liệu truyền dẫn trong các thiết bị OLED, đặc biệt là các hợp chất dạng dimer. Hợp chất DTS từ hệ chất nghiên cứu 5 có giá trị Egap là 2,5 eV (thấp hơn so với 2,7 eV của hợp chất gốc đã được tổng hợp trước đó); các giá trị λh, λe lần lượt là 0,23 và 0,21 (tương đồng so với hợp chất gốc), đồng thời phổ hấp thụ cũng có bước chuyển dịch đỏ và cường độ hấp thụ cao hơn.