Theoretical Study of Substitution Effects on Reorganization Energy in Indeno[1,2-b]fluorene-6,12-dione-Based Molecular Semiconductors

Abstract

The reorganization energy of an organic semiconductor can be modulated through molecular design. Density functional theory (DFT) calculations enable researchers to strategically design organic molecular semiconductors with low reorganization energy through chemical substitution. Herein, hole and electron reorganization energies of unsubstituted indeno[1,2-b]fluorene-6,12-dione (IFDK), and its 5,11- and 2,8-disubstituted derivatives were computed. Substituents positioned along the molecular long axes and short axes were employed to enhance understanding of how substitution position influences the molecular reorganization energy. Additionally, substituents with varying electron-withdrawing and electron-donating properties were also investigated to reveal the structure-property relationship in IFDKs. Based on DFT calculations, triphenylamine (TPA) substitution at the 5,11 and 2,8 positions exhibited the largest decreases in hole reorganization energy compared to the parent IFDK, reducing it from 240 meV to 80 meV and 110 meV, respectively. This suggests that more effective charge transfer is expected with TPA substitution in IFDKs due to lower reorganization energy. This work reveals the significant substitution effect on reorganization energy through the specific position andelectronic characters (EWG vs EDG), providing a foundation for the future design of IFDK-based molecules with high charge transfer efficiency.

Organik bir yarı iletkenin yeniden düzenleme enerjisi moleküler tasarım yoluyla modüle edilebilir. Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamaları araştırmacıların kimyasal sübstitüsyon yoluyla düşük yeniden düzenleme enerjisine sahip organik moleküler yarı iletkenleri stratejik olarak tasarlamalarına olanak tanır. Burada, sübstitüye olmamış indeno[1,2-b]fluoren-6,12-dion (IFDK) ve onun 5,11- ve 2,8-disübstitüe türevlerinin boşluk ve elektron yeniden düzenleme enerjileri hesaplandı. Moleküler uzun eksen ve kısa eksen boyunca konumlandırılan sübstitüye gruplar, sübstitüsyon konumunun moleküler yeniden düzenleme enerjisini nasıl etkilediğinin anlaşılmasını için kullanıldı. Ek olarak, değişen elektron çekme ve elektron itme özelliklerine sahip sübstitüentler IFDK'lardaki yapı-özellik ilişkisini ortaya çıkarmak için kullanıldı. DFT hesaplamalarına göre, 5,11 ve 2,8 pozisyonlarındaki trifenilamin (TPA) sübstitüsyonu, ana IFDK molekülü ile karşılaştırıldığında boşluk yeniden düzenleme enerjisinde en büyük azalmayı gösterdi ve bunu sırasıyla 240 meV'den 80 meV'ye ve 110 meV'ye düşürdü. Bu, daha düşük yeniden düzenleme enerjisi nedeniyle IFDK'lerde TPA sübstitüsyonu daha etkili yük transferinin beklendiğini göstermektedir. Bu çalışma, belirli pozisyon ve elektronik karakterler (EWG ve EDG) aracılığıyla yeniden düzenleme enerjisi üzerindeki önemli sübstitüsyon etkisini ortaya koyarak, yüksek yük transfer verimliliğine sahip IFDK tabanlı moleküllerin gelecekteki tasarımı için bir temel sağlamaktadır.