Анализ оптических и электронных свойств пентацена для применения в органических транзисторах и фоторезисторах

Представлены результаты квантово-химического анализа спектральных и электронных характеристик молекулы пентацена — одного из наиболее перспективных органических полупроводников. Расчеты выполнены с использованием метода TD-DFT и программного пакета Gaussian. Проанализированы первые шесть возбужденных состояний пентацена в целях выявления наиболее эффективных фотоактивных переходов. Рассчитаны ключевые параметры, включая энергию возбуждения, длину волны поглощения, силу осциллятора, дипольный момент, вращательную силу, а также энергетический зазор между орбиталями HOMO и LUMO. Показано, что первое возбужденное состояние (S1) характеризуется низкой энергией возбуждения (1,6560 эВ), длиной волны поглощения 748,71 нм (область ближнего ИК-диапазона) и относительно высокой силой осциллятора (0,0375), что свидетельствует об эффективном поглощении ближнего инфракрасного излучения. Возбужденные состояния S2—S6 демонстрируют существенно более слабое поглощение, преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Анализ разрыва HOMO–LUMO указывает на значительную делокализацию электронов и небольшой энергетический зазор, способствующий эффективному переносу заряда. Установлено, что электрический дипольный момент ориентирован преимущественно вдоль оси Y, что может иметь практическое значение для устройств, работающих с поляризованным излучением. В целом полученные результаты подтверждают целесообразность использования пентацена в качестве активного материала для органических фоточувствительных электронных устройств и позволяют определить направления дальнейшей оптимизации, включая контроль ориентации молекул.

1. Cheng Y. J., Yang S. H., Hsu C. S. Synthesis of conjugated polymers for organic solar cell applications // Chem. Rev. 2009. Vol. 109, N 11. P. 5868–5923.

2. Cai Z., Aizawa N., Tajima K. Pentacene-based optoelectronic devices: from organic field-effect transistors to light sensors // Adv. Mater. 2016. Vol. 28, N 8. P. 1672–1686.

3. Dimitrakopoulos C. D., Malenfant P. R. L. Organic thin film transistors for large area electronics // Adv. Mater. 2002. Vol. 14, N 2. P. 99–117.

4. Anthony J. E. Functionalized Acenes and Heteroacenes for Organic Electronics // Chem. Rev. 2006. Vol. 106, N 12. P. 5028–5048.

5. Nabok D., Gulans A. Accurate description of the electronic structure of organic semiconductors: GW calculations for pentacene // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 95, N 3. P. 035114.

6. Yamada K., Matsumoto H. Pentacene-based thin-film transistors for organic electronics // Synth. Met. 2009. Vol. 159, N 21-22. P. 2175–2178.

7. Frisch M. J. et al. Gaussian 16, Revision C.01. Wallingford, CT: Gaussian, Inc., 2016.

8. Runge E., Gross E. K. U. Density-functional theory for time-dependent systems // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 52, N 12. P. 997–1000.

9. Bredas J.-L., Beljonne D. Charge-Transfer and Energy-Transfer Processes in π-Conjugated Oligomers and Polymers: A Molecular Picture // Chem. Rev. 2002. Vol. 104, N 11. P. 4971–5004.

10. Coropceanu V. et al. Charge transport in organic semiconductors // Chem. Rev. 2007. Vol. 107, N 4. P. 926–952.

11. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle–Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37, N 2. P. 785–789.

12. Facchetti A. Semiconductors for organic transistors // Mater. Today. 2007. Vol. 10, N 3. P. 28–37.

13. Takimiya K. et al. Organic semiconductors based on [1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene substructure // Acc. Chem. Res. 2014. Vol. 47, N 5. P. 1493–1502.

14. Yamashita Y. Organic semiconductors for organic field-effect transistors // Sci. Tech. Adv. Mater. 2009. Vol. 10, N 2. P. 024313.

15. Roncali J. Conjugated Polymers for Organic Photovoltaic Applications // Chem. Mater. 2007. Vol. 23, N 15. P. 3431– 3448.