Benzokalkojendiazol bazlı verici-alıcı-verici tipi polimerlerin elektronik bant aralığının yoğunluk fonksiyoneli teorisiyle incelenmesi
Investigation of the electronic band gap of benzochalcogendiazole-based donor-acceptor-donor type polymers by density functional theory
Yazar: ÖZGE ÖZKILINÇ
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:
İstenilen uygulama alanına göre, π-konjuge sistemlerin elektronik özelliklerinin düzenlenmesi, elektron verici birimin elektronca zengin veya elektron alıcı birimin elektronca zayıf olan gruplarla modifiye edilmesiyle mümkündür. Yapıdaki kalkojen atomlarının değiştirilmesiyle, hedeflenen elektronik özelliklere yönelik ayarlama yapılabilir. Bu çalışmada, kalkojen atom etkisinin yarı iletken polimerlerin optoelektronik özelliklerine olan etkisi yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ile incelenmiştir. İki temel polimer sistem serisi altında, verici-alıcı-verici (DAD) yapılarında elektron alıcı birim olarak benzokalkojendiazol, elektron verici birimi için ise sırasıyla furan, tiyofen, selenofen, tellurofen ile bunların etilendioksi köprüsü içeren formları olan EDOF, EDOT, EDOS ve EDOTe kullanılmış ve HOMO-LUMO enerji seviyeleri kuantum kimyasal hesaplamalarla incelenmiştir. Çalışmalarda, B3LYP hibrit fonksiyoneli,  uzun mesafe düzeltmeli LC-BLYP metodu ve periyodik sınır koşulları (PBC-DFT) yöntemleriyle hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Tüm hesaplamalarda LANL2DZ temel set olarak kullanılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre, en dar elektronik bant aralıkları, yarı iletken polimerin verici ve alıcı birimlerine selenyum ve teluryum gibi ağır bir kalkojen atomu eklendiğinde elde edilmiştir. Çalışmadaki en düşük elektronik bant aralığı değeri, elektron verici biriminde telurofen, alıcı biriminde ise benzoteluradiazol içeren sistem için B3LYP/LANL2DZ seviyesinde 0.63 eV, PBC- B3LYP/LANL2DZ seviyesinde ise 0.69 eV olarak bulunmuştur. Çalışmada elde edilen teorik bant aralığı değerleri literatürde bulunan deneysel veriler ile karşılaştırılmış ve PBC-B3LYP/LANL2DZ yönteminin deneysel çalışmalara en yakın performansı gösterdiği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Elektronik bant aralığı, HOMO-LUMO, DFT, Konjuge polimer, Verici-Alıcı-Verici tipi polimer, Benzokalkojendiazol

Abstract:
Tuning of the π-conjugated systems' electronic properties for the desired application is possible through modification of electon donor unit by an electron-rich group or electron acceptor unit by an electron-deficient one. By changing the chalcogen atoms in the structure, targeted electronic properties can be adjusted. In this study, the impact of chalcogen atom substitution on the optoelectronic features of semiconducting polymers was studied by means of density functional theory (DFT). Under the two main series of polymer systems, donor-acceptor-donor (DAD) structures with benzochalcogendiazole to be the electron acceptor unit, and with furan, thiophene, selenophene, tellurophene and their ethylene dioxy bridged forms EDOF, EDOT, EDOS, and EDOTe to be the electron donor units were used, and their HOMO-LUMO energy levels were investigated through quantum chemical calculations. In the studies, calculations were performed using the B3LYP hybrid functional, long distance corrected LC-BLYP and periodic boundary conditions (PBC-DFT) methods. LANL2DZ was used as the basis set in all calculations. According to the results of the study, the narrowest electronic band gaps were obtained when a heavy chalcogen atom, such as selenium and tellurium, was added to the donor and acceptor units of the semiconductor polymer. The lowest electronic band gap value in the study was found to be 0.63 eV at the B3LYP/LANL2DZ level and 0.69 eV at the PBC-B3LYP/LANL2DZ level for the system containing tellurophene in the electron donor unit and benzotelluradiazole in the acceptor unit. The theoretical band gap values obtained in the study were compared with the experimental data available in the literature and it was found that the PBC-B3LYP/LANL2DZ method presented the closest performance to the experimental studies. 

Key Words: Electronic band gap, HOMO-LUMO, DFT, Conjugated polymer, Donor-Acceptor-Donor type polymer, Benzochalcogendiazole