Определение сродства к электрону гетероциклических молекулярных полупроводников по автокорреляционным параметрам спектров оптического поглощения

Abstract

Гетероциклические полициклические соединения, содержащие атомы кислорода и азота, являются перспективными материалами для молекулярной электроники. Обширная область применения таких соединений требует информацию об электронной структуре, в частности, энергии сродства к электрону, которое, наряду с потенциалами ионизации, определяет процессы транспорта электронов, дно и потолок запрещенной зоны, энергию квазиуровня Ферми и работу выхода. Для гетероциклических молекулярных полупроводников (ГМП), содержащих атомы азота и кислорода, установлена связь между сродством к электрону и интегральными автокорреляционными характеристиками оптического спектра в УФ и видимой области на основе представлений спектров поглощения как совокупности возбуждённых электронных состояний в сильно коррелированной электронной системе. Спектры поглощения молекул регистрировались в оптически прозрачных средах на спектрофотометре СФ-2000 с шагом 1 нм. Показано, что в рядах гетероциклических молекулярных сред с ростом интегральной автокорреляционной характеристики спектра сродство к электрону возрастает по квазилинейному закону. Особенностью электронной структуры гетероциклических соединений, содержащих атомы кислорода и азота, являются эффекты сильного обменного и кулоновского корреляционного взаимодействий электронов. Результаты подтверждены данными экспериментов по регистрации спектров оптического поглощения растворов ГМП в диапазоне 200–600 нм, а также квантово-химическими расчетами с применением методов Хартри–Фока. Полученные результаты обоснованы статистической обработкой данных методами наименьших квадратов и математической статистики. На основе установленных закономерностей разработан метод определения сродства к электрону ГМП. Разработан метод, который позволяет оценить сродство к электрону по спектрам оптического поглощения в УФ и видимой области. Heterocyclic polycyclic compounds containing atoms of oxygen and nitrogen are promising materials for molecular electronics. A wide field of application of such compounds requires information on electronic structure, in particular, energy of electron affinity which along with ionizing potentials defines the processes of transport of electrons, bottom and upper boundary of band gap, energy of Fermi quasi-level, and output work. For heterocyclic molecular semiconductors containing atoms of oxygen and nitrogen a connection was found between electron affinity and integral autocorrelation characteristics of the optic spectrum in ultraviolet and visible spectrum based on the concept of absorption spectra as a complex of excited electron states in a strongly correlated electron system. The absorption spectra of molecules were registered in optically-transparent mediums using a spectrophotometer СФ-2000 with interval of 1 nm. We demonstrated that in the series of heterocyclic molecular mediums with growing integral autocorrelation characteristics of the spectrum the electron affinity increases as per quasi-linear law. The peculiarity of the electronic structure of heterocyclic compounds containing atoms of oxygen and nitrogen are the effects of strong exchange and Coulomb correlation interaction of electrons. These results are proved by data of experiments on registering the optical absorption spectra of heterocyclic molecular semiconductors in the range of 200–600 nm, as well as by quantum-chemical calculations using Hartree–Fock’s methods. The obtained results are substantiated by statistical processing of data using the methods of least-squares and mathematical statistics. Based on the discovered patterns a method was developed on defining the electron affinity of heterocyclic molecular semiconductors. A method was developed which allows to assess electron affinity as per optical absorption spectra in ultraviolet and visible sprectra.