Kalkojen atomlarının kalkojendiazolokinoksalin içeren yarı iletken polimerlerin elektronik bant aralığı üzerindeki etkilerinin kuantum mekanik yöntemlerle incelenmesi
Investigation of the effect of chalcogen atoms on the electronic band gap of chalcogendiazoloquinoxaline-containing semiconducting polymers by quantum mechanical methods
Yazar: EMİRE UYANIK
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN KAYI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kinoksalin grubu, elektron verici-alıcı tipi konjüge polimer sistemlerinde, elektron çekici özelliği arttırdığından dolayı elektron alıcı birimler içerisinde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, kalkojen grubu atomları ile birlikte kinoksalin grubu içeren kalkojendiazolokinoksalin elektron alıcı birimi ile elektron verici birimler olarak furan, tiyofen, selenofen, tellurofen içeren konjüge polimer sistemlerinin moleküler tasarımları yapılmış ve elektronik ile optik özellikleri araştırılmıştır. Ele alınan polimer sistemlerinin incelenmesinde temel olarak bir kuantum mekanik hesaplama yöntemi olan yoğunluk fonksiyonel teorisi kullanılmıştır. B3LYP ve LC-BLYP hibrit fonksiyonelleri ve LANL2DZ temel seti kullanılarak hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Öncelikle, verici-alıcı-verici tipinde hibrit monomerler tasarlanmış, konformasyonel analizlerle bu monomerlerin ve farklı oligomerlerinin tam geometri optimizasyonları ile en düşük enerjili monomer ve oligomer yapıları belirlenmiştir. Elde edilen en kararlı monomer ve oligomer yapılarının HOMO ve LUMO enerji seviyeleri ile elektronik bant aralığı (Eg) değerleri hesaplanmış, ardından bu veriler üzerinden polimerlerin elektronik bant aralıkları elde edilmiştir. Monomer ve hekzamer birimleri için izole olarak ve çözücü ortamında zamana bağlı yoğunluk fonksiyonelleri TD-B3LYP/LANL2DZ ve TD-LC-BLYP/LANL2DZ ile UV-Vis spektrumları ve absorpsiyon dalga boylarının hesabı yapılmıştır. LC-BLYP/LANL2DZ hesaplama seviyesinde, en yüksek Eg değeri 4,7-di(furan-2-il)benzo[c][1,2,5]oksadiazolo[3,4-g]kinoksalin polimeri için 0,99 eV olarak hesaplanırken, en düşük Eg değeri ise 4,7-di(tellurofen-2-il)benzo[c][1,2,5]telluradiazolo[3,4-g]kinoksalin için 0,10 eV olarak bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar, elektron verici ve alıcı birimlerde ağır kalkojen atomları kullanıldığında konjüge polimerlerin daha düşük elektronik bant aralığı değerlerine sahip olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
Quinoxaline group is used in electron acceptor units in electron donor-acceptor type conjugated polymer systems because it increases electron-withdrawing property. In this study, molecular design of conjugated polymer systems consist of chalcogendiazoloquinoxaline as electron acceptor unit containing quinoxaline group together with chalcogen group atoms, and  furan, thiophene, selenophene, tellurophene as electron donor units were carried out, and their electronic and optical properties were investigated. Density functional theory, which is a quantum mechanical computational method, was used as a basis for the investigation of the polymer systems discussed. Calculations were performed using the B3LYP and LC-BLYP hybrid functionals and the LANL2DZ basis set. First of all, donor-acceptor-donor type hybrid monomers were designed, and the lowest-energy monomer and oligomer structures were determined by conformational analysis with full geometry optimizations of these monomers and different oligomers. The HOMO and LUMO energy levels and electronic band gap (Eg) values of the most stable monomer and oligomer structures were calculated, and then the electronic band gaps of the polymers were obtained by utilizing these data.   With the time dependent density functionals TD-B3LYP/LANL2DZ and TD-LC-BLYP/LANL2DZ, UV-Vis spectra and absorption wavelengths were calculated for monomer and hexamer units in isolated and in solvent media. At the LC-BLYP/LANL2DZ calculation level, while the highest Eg value was obtained to be 0.99 eV for the polymer of 4,7-di(furan-2-yl)benzo[c][1,2,5]oxadiazolo[3,4-g]quinoxaline, the lowest one was found to be 0.10 eV for the 4,7-di(tellurofen-2-yl)benzo[c][1,2,5]telluradiazolo[3,4-g]quinoxaline. The results revealed that conjugated polymers have lower electronic band gap values when heavy chalcogen atoms are used in electron donor and acceptor units.