噻吩-呋喃低聚物:电子与光学性质的超越 DFT 研究

噻吩低聚物因其独特的光电性质而成为一类重要的光伏应用有机材料。近来有建议指出,在保持链结构的前提下将呋喃单元引入噻吩链中,即噻吩基呋喃线性低聚物,可改善最终材料。本工作中,我们呈现了噻吩、呋喃及噻吩基呋喃短链(至多 4 个单元)的理论研究。结构与电子性质通过 Hartree-Fock (HF) 与密度泛函理论 (DFT) 计算以及超越平均场方法获得,具体而言为基于 HF 的二阶 M"oller-Plesset 微扰理论 (HF-MP2) 与基于 DFT 的 G0W0 近似多体微扰理论 (G0W0@DFT)。光学性质在 G0W0@DFT 数据之上使用 Bethe-Salpeter 方程计算。我们研究了从单体 T 和 F 到具有不同单元序列 TT、TF 或 FF 的四聚体的性质,均通过常规的碳原子键合。正如均匀寡聚噻吩链所熟知的那样,此处对于任意 TT 序列我们也发现 $150^{\circ}$ 的扭转角,而所有其他单元序列均为平面,这可能与成膜相关。我们还发现低聚物的第一光学跃迁在四聚体长度处达到了约 $\sim 3$ eV 的有前景阈值,结合约 $\sim 7$ eV 的电离势,这确认了这些有机化合物对光伏应用的相关性。