Azot içeren borafenalen temelli organik yarı iletken modellerinin teorik incelenmesi
Theoretical investigation of nitrogen-containing boraphenalene-based organic semiconductor models
Yazar: BUŞRA HAMARAT
Danışman: PROF. DR. FATMA SEVİN DÜZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Organik yarı iletkenler optoelektronik, fotoelektronik, termoelektronikler, transistörler ve güneş pilleri de dahil olmak üzere birçok alanda kullanılan aletlerin temel yapı malzemelerindendir ve elektrokimyada önemli bir yere sahiptir. Gerek düşük toksisiteleri gerekse düşük maliyetli üretimleri nedeniyle inorganik emsallerine oranla daha fazla tercih edilmektedir. Bu alanda kullanılan yarı iletkenler delik hareketliliğine dayanan p-tipi ve elektron hareketliliğine dayanan n-tipi olarak ikiye ayrılmaktadır. Günümüze kadar yüksek iletkenlik ve iyi ortam kararlılığına sahip çok sayıda p-tipi yarı iletken tasarlanmış ve sunulmuş olmasına rağmen n-tipi yarı iletkenler gerek ortam kararlılıklarından gerekse temel küçük moleküllerinin sentezinin zorluğundan dolayı p-tipi emsallerinin gerisinde kalmıştır.

Uzun yıllar boyunca n-tipi yarı iletkenlerin performansını artırmak için birçok yöntem denenmiştir. Bu araştırmalar sonucunda organik yarı iletkenlerin performansını artırmak ve iyi bir n-tipi organik yarı iletkende beklenen özellikler şöyle olmalıdır; yüksek elektron ilgisi, ortam kararlılığı için düşük LUMO(\le-4,0 eV) enerji değerine, delik enjeksiyonunu baskılamak için düşük HOMO enerjilerine ve elektronların kolay hareket edebilmesi için ise, düzlemsel  -konjuge bir omurgaya ve düşük iletkenlik bant aralıklarına ( ~1,0 eV) sahip olması gerekmektedir. Bizde bu bağlamda, çalışmamızda yeni tasarlanmış,  borafenalen yapılarını sunduk.

Bu tez çalışmasında borafenalen yapıları düşük HOMO/LUMO enerjilerine,  düzlemsel ve -konjuge bir yapıya sahip olmasının yanında temel iskelet biriminde bulunan B ve N atomları ile HOMO enerji seviyesini istenilen düzeye düşürmüştür. Yapımızda kullandığımız yan gruplar ve flor substitüentlerinin elektron çekme doğası -konjuge moleküllerin hem LUMO hem de HOMO enerji seviyelerini düşürmesine etki ederek iletkenlik bant aralığını azalttığını ve oldukça düşük LUMO değerlerine sahip olduğunu teorik olarak hesaplayabildik.

Bu çalışmada yer alan borafenalenlerin, gaz fazında ve farklı yan grupları ile oluşturdukları yapılarının temel hal geometrileri ve HOMO/LUMO değerleri DFT (Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi) yöntemi B3LYP/6-311++G(d,p) metodu ile hesaplanarak iletkenlik bant aralıkları bulunmuştur. Bu çalışma ile elde edilecek olan sonuçlar n-tipi organik yarı iletkenlerin tasarımında ve performansındaki eksikliklerin giderilmesine yardımcı olacak ve yeni yollar sunacaktır.

Abstract:
Organic semiconductors are the basic building materials of instruments used in many fields including opto-electronics, photo-electronics, thermo-electronics, transistors and solar cells and have an important place in electrochemistry. It is preferred more than its inorganic counterparts due to its low toxicity and low cost production. Semiconductors used in this field are divided into p-type based on hole mobility and n-type based on electron mobility. Although a large number of p-type semiconductors with high conductivity and good environmental stability have been designed and presented, n-type semiconductors have lagged behind their p-type counterparts due to both their environmental stability and the difficulty of synthesizing basic small molecules.

For many years, many methods have been tried to improve the performance of n-type semiconductors. As a result of these researches, to increase the performance of organic semiconductors and the expected properties of a good n-type organic semiconductor should be as follows; high electron affinity, low LUMO (\le\ -4.0 eV) energy value for air-stability, low HOMO energies to suppress hole injection and a planar -conjugated backbone and low conductivity band gaps (~\ 1. 0 eV). In this context, we presented newly designed borafenalene structures in our study.

In this thesis study, borafenal structures have low HOMO/LUMO energies, planar and -conjugated structures, as well as B and N atoms in the basic skeleton unit, HOMO energy has been reduced to the desired level. We were able to prospectively calculate that different side groups and fluorine substituents in our structure reduce the conductivity bandwidth by affecting theelectron-withdrawingg potential of -conjugate bursts both LUMO and HOMO energy dissipation and have very low LUMO values.

The ground state geometries and HOMO/LUMO values of the gas phase and different side groups of the borafenalens in this study were calculated using the DFT (Density Functional Theory) method, B3LYP/6-311++G(d,p) method, and the conductivity band gaps were found. The results of this study will help to overcome the deficiencies in the design and performance of n-type organic semiconductors and will offer new ways.