共轭聚合物中的极化子动力学与齐纳隧穿研究

论文摘要

掺杂聚乙炔高电导率的发现打破了有机聚合物都是绝缘体的传统观念,开创了导电聚合物的研究领域。导电高分子聚合物都有一个长程的π电子共轭主链,因而导电聚合物又被称为有机共轭聚合物。共轭聚合物实现了从绝缘体到半导体,再到导体、超导体的变化,是所有物质中完成形态变化跨度最大的,其特殊结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点。作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一,聚合物材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子器件,以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛的应用前景。到目前为止,共轭聚合物在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、可溶性和加工性、光、电、磁等物理性能及技术应用上的探索都已取得重要的研究进展。经过三十余年的发展,许多基于有机聚合物的光电器件已经从单纯的实验兴趣转变为新兴的实用技术。目前,人们已经研制出多种有机光电子器件,如有机发光二极管,场效应管,光伏电池等。与传统的无机材料相比,有机分子间的相互作用较弱,它们大多具有准一维结构;此外,有机材料中存在着较强的电子—晶格相互作用,电子态和晶格态两者相互影响。即电荷的注入或光激发会诱导晶格发生畸变,反过来,晶格的变化又影响聚合物的结构。因此,聚合物中的载流子不再是电子或空穴,而是电荷的自陷元激发,如孤子、极化子、双极化子。聚合物中的这些元激发在很大程度上决定着聚合物中的电荷输运、发光等物理性质,是人们理解聚合物特性的重要方面。由于这些元激发包括电荷和晶格畸变两部分,在外场的作用下,电荷的运动必然影响到晶格畸变。因此聚合物中的载流子及其在电场下的输运性质一直是理论研究的重点。创立于20世纪70年代的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型,用半经验的紧束缚方法研究了共轭聚合物聚乙炔的电子结构和光学性质,并取得了巨大成功,此后,Bishop、Sun、Conwell、Xie等对SSH哈密顿进行了修正。目前,国际上主要有四个小组基于SSH模型,分别采用绝热近似和非绝热近似,研究了共轭聚合物中载流子动力学输运及其微观机制,这些工作的进一步开展,不但有助于对共轭聚合物中的微观物理世界的认识,更具有重要的应用价值,能够推动新型有机光电器件的研究和开发。本论文在紧束缚的（SSH）模型基础上,对哈密顿进行了修正,利用非绝热的分子动力学方法,模拟了有序的耦合聚合物链系统中链间扩展的极化子的形成及其在外场中的输运动力学,并与一维链内定域极化子的运动作比较。同时我们还研究了温度对极化子稳定性的影响。最后讨论了强电场下聚合物中的齐纳隧穿现象。本论文具体的研究内容和主要结果如下:1.链间扩展的极化子动力学共轭聚合物通过电荷注入、掺杂或者光激发可以形成载流子——极化子。对于聚合物中极化子性质的研究,人们已经进行了相当多的研究,包括极化子的形成过程以及极化子在外电场下的运动。大都关注于单条聚合物链的情况,耦合链系统中极化子形成的过程尚不清楚。实验研究发现,通过自组织,有机分子由于链间耦合可形成有序的薄膜结构。光谱研究表明,在这种聚合物链有序排列的结构中极化子具有二维链间特征。因此,我们构造多条有序耦合的聚合物链来模拟自组织的薄膜,研究其中极化子形成过程。实验表明,将这种有序的有机薄膜应用于场效应管可极大地提高迁移率,因此普遍认为高的迁移率是与极化子的二维链间特征有关的。因此研究二维链间扩展的极化子的性质有重要意义。首先,我们研究了耦合聚合物链系统中极化子的形成过程,发现在有序耦合的共轭聚合物链系统中,注入到其中的电子形成链内定域的极化子还是链间扩展的极化子取决于聚合物链间的耦合强度。不管是在较弱的链间耦合下还是在较强的耦合下,电子注入到系统中后,首先分布在多条链上,但是当链间耦合较弱时,这种分布持续一段时间后电荷就逐渐向一条链中转移,最终形成了定域在一条链内的极化子。在较强的耦合下,电荷不能完全克服链间的竞争,因此,最终形成了链间扩展的二维极化子。计算二维链间扩展极化子的运动,包括极化子沿聚合物链的运动（外加电场平行于链的方向（x方向）施加）和极化子在聚合物链间的运动（外加电场垂直于链的方向（y方向）施加）,与一维链内定域极化子的运动比较发现,在相同的电场强度下,二维的链间扩展极化子具有更大的运动速度。从这个意义上讲,以二维链间扩展极化子为载流子的有序的有机聚合物体系,其迁移率远大于以链内定域极化子为载流子的有机体系。这与实验结果是一致的。2.温度对于极化子稳定性的影响除了极化子在外电场下的输运,极化子的稳定性也是人们关心的一个重要问题,特别是对于有机发光二极管（OLED）,它的工作原理是基于阴、阳极注入的负、正电极化子在聚合物层碰撞产生激子,因此极化子的稳定性直接关系到有机发光器件的工作效率。目前的研究发现,电场强度、电场施加模式、杂质、载流子之间的碰撞等都会对极化子的稳定性产生重要影响。另外,在一定温度下,有机聚合物材料中总是存在着晶格热涨落。而且,在某些一维材料中,当温度接近相变温度时,晶格热涨落可能比二聚化还要大几倍。因此,晶格涨落对一维材料的性质有重要影响。本论文中,我们讨论了晶格热涨落对共轭聚合物中极化子稳定性的影响。热效应通过郎之万方程引入的热随机力来描述,温度区域选在150K-350K之间。研究发现,在这个温度区域内,极化子能级的电子占据数减少,极化子的定域性受到影响。极化子保持理想定域态的时间随温度的升高而变短。考虑到温度效应后,极化子的解离电场大大降低。3.共轭聚合物中的齐纳隧穿现象固体材料在强场下的电荷输运一直是备受关注的课题,20世纪30年代,Bloch和Zener对这方面的理论研究作出重要贡献。自从Zener用电子的带间隧穿（Zenertunneling）来解释固体的电击穿后,Zener隧穿现象引起了物理学家浓厚的研究兴趣。在很多无机系统中,如电流驱动的约瑟夫森结、加速光学晶格、场驱动的超晶格等,人们做了大量Zener隧穿及其相关应用的研究。但是,有机半导体中尚未有详细的相关报道。在本论文中,我们将通过研究高电场下有机半导体中电子态的演化来讨论可能的Zener效应。以一条处于理想二聚化状态的电中性的聚合物链作为研究对象,对其施加平行于链方向的电场。发现,在足够强的电场作用下,原本无净电荷分布的链中出现了极化电荷。能带发生倾斜,满带中的电子能够穿过带隙进入导带,实现了有机半导体中的Zener隧穿。伴随着Zener隧穿的发生,带隙消失,有机半导体经历了从半导体到导体的转变（I-M相变）。同时,有机晶格原子也从二聚化的排列转变为等距离排列,原子构型的这种变化是与I-M相变相对应的。这是有机聚合物特有的软性质决定的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• §1.1 有机聚合物的功能特性及研究现状
• §1.2 共轭聚合物的结构
• §1.3 共轭聚合物中的载流子
• §1.3.1 孤子
• §1.3.2 极化子
• §1.3.3 双极化子
• §1.4 拟展开的研究内容
• 参考文献
• 第二章 链间扩展的极化子动力学研究
• §2.1 引言
• §2.2 模型和方法
• §2.3 链间扩展的极化子的形成过程
• §2.4 链间扩展的极化子在外电场下的运动
• §2.4.1 极化子沿聚合物链的运动
• §2.4.2 极化子在聚合物链间的运动
• §2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 温度对极化子稳定性的影响
• §3.1 引言
• §3.2 模型和方法
• §3.3 温度对极化子稳定性的影响
• §3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 共轭聚合物中的齐纳隧穿研究
• §4.1 引言
• §4.2 模型和方法
• §4.3 共轭聚合物中的齐纳隧穿现象
• §4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 博士期间完成的论文目录
• 攻读博士学位期间所获奖励及参与课题
• 致谢
• 附录:发表英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表