I. HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU
Silole là hợp chất dị vòng năm cạnh, chứa nguyên tử silic và đơn vị butađien. Cấu trúc hình học của phân tử silole đƣợc mô phỏng nhƣ sau:
Hiện nay, không những các hợp chất silole mà các dẫn xuất của nó ngày càng đƣợc nghiên cứu rộng rãi vì chúng có độ bền định nhiệt, độ bền cơ học cao và khả năng điều chỉnh màu sắc ổn định.
Thực tế, silole và các dẫn xuất silole là vật liệu quang điện tử hữu dụng có thể ứng dụng trong các thiết bị bán dẫn nhƣ: OLED, OFET và các pin mặt trời. Dựa trên mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử và các tính chất của các dẫn xuất silole khác nhau nhƣ khi chứa các nhóm hút electron hoặc các nhóm đẩy electron mà hệ liên hợp khác nhau trong phân tử các dẫn xuất silole. Điều này liên quan đến các hiệu ứng electron và hiệu ứng không gian trong cấu trúc của các dẫn xuất silole.
Trong những nghiên cứu trƣớc, nhóm chúng tôi đã nghiên cứu về các dẫn xuất silole ở dạng monome, đime, trime... với nhóm thế đẩy electron nhƣ CH3, C2H5 và nhóm thế hút electron nhƣ F, Cl, Br, kết quả tính toán cho thấy các hợp chất trên đều có khả năng bán dẫn và tính phát quang cao nhƣ:
Si R R' Si Si R R' R R' Si Si R R' Si R R' R R'
Si R R' Si R R' S S R, R’: H, CH3, C2H5, F, Cl, Br
Gần đây, các hợp chất silole có hệ liên hợp - đƣợc nhiều sự quan tâm đối với ứng dụng trong các điốt phát quang hữu cơ, các tế bào quang điện hữu cơ, các transistor hiệu ứng trƣờng. Bằng cách kết hợp một đơn vị silole trung tâm với vòng thiophen hay benzen, những hợp chất này dự kiến sẽ kết hợp những lợi thế của các tính chất nội tại của silole với xiclopentadithiophen hoặc flouren. Năm 2008, những copolyme thiophen dựa vào đithiophensilole và đibenzosilole, các polime 1a-1c, 2a-2c đƣợc nghiên cứu bởi Facchetti, Ratner, Marks và cộng sự đối với ứng dụng trong OFET. Các polime 1a-1c với đơn vị đithiophensilole hấp thụ bức xạ với bƣớc sóng cực đại max = 521 – 544 nm, phát xạ ánh sáng đỏ cam trong khoảng max = 601 – 620 nm trong phổ UV-Vis và khe năng lƣợng HOMO-LUMO nhỏ từ 1,80 – 1,90 eV. Các polime 2a-2c chứa đơn vị đibenzosilole hấp thụ bức xạ có bƣớc sóng cực đại max = 377 – 503 nm trong phổ UV-Vis, khe năng lƣợng HOMO-LUMO trong khoảng 2,30 – 2,90 eV [23]. Điều đó cho thấy các polime trên khi chứa các hợp phần thiophen và benzen có tính bán dẫn và tính phát quang khá tốt. Một hợp chất đƣợc tổng hợp và nghiên cứu bởi Holmes và cộng sự có tính chất bán dẫn và phát quang khá tốt là poly(2,7-đibenzensilole), polime này phát quang màu xanh. Mức năng lƣợng HOMO và LUMO tƣơng ứng là -5,77 eV và -2,18 eV, nó thấp hơn 0,10 eV so với polyfluorene. Ngoài ra, các hợp chất silole cũng có sự ổn định nhiệt cao và hiệu suất phát quang cao.
Mặc dù các dẫn xuất silole ở dạng monome, đime, trime... đƣợc nghiên cứu ở các công trình trƣớc có khả năng bán dẫn cũng nhƣ tính phát quang khá tốt nhƣng chúng vẫn chƣa đƣợc tổng hợp từ thực nghiệm. Do đó, hệ chất mà chúng tôi chọn để nghiên cứu trong luận văn này là một số hệ vòng ngƣng tụ thu đƣợc bằng cách kết hợp một đơn vị thiophen hay benzen trung tâm với vòng silole. Những hợp chất này hứa hẹn sẽ có tính bán dẫn và tính phát quang tốt có thể đƣợc sử dụng trong các OLED nhƣ sau: Si R R SR1 Dẫn xuất silole1 Si S SR1 R R Dẫn xuất silole2 S Si R R SR1 Dẫn xuất silole3 Si Si R R R R SR1 R1S Dẫn xuất silole4 Si R R SR1 Si R R R1S Dẫn xuất silole5 (R1 =H, CH3, C2H5, F; Cl, Br, CHO; R = H, CH3, C2H5, F; Cl, Br, CHO, NO2) Tối ƣu hóa cấu trúc và tính năng lƣợng điểm không của hệ chất nghiên cứu bằng phƣơng pháp B3LYP/6-31+G(d). Từ cấu trúc đã đƣợc tối ƣu tính năng lƣợng điểm đơn, năng lƣợng HOMO, LUMO theo phƣơng pháp B3LYP/6-311++G(d,p). Sử dụng phƣơng pháp phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TD-DFT) (time-dependent density functional) để xác định phổ UV-Vis của một số hệ chất nghiên cứu
Kết quả tính toán thu đƣợc sẽ đƣa ra những cấu trúc tối ƣu về độ bền, tính bán dẫn và tính phát quang. Kết quả này có thể làm cơ sở dữ liệu định hƣớng cho các nghiên cứu thực nghiệm.