金属/聚合物/金属三明治结构中载流子注入与输运的动力学研究

论文摘要

1977年科学家们发现,通过掺杂反式聚乙炔的电导率会急剧提高,可增加几个甚至十几个数量级,变成良导体。自此,对导电共轭聚合物的研究便引起了理论和实验工作者的极大兴趣。作为一种新型的功能材料,有机共轭聚合物既具有金属和半导体的电子特性,又具有聚合物的易加工、柔韧性好、价格低等优点,成为近年来的研究热点。经过二十余年的发展,许多基于有机聚合物的光电子器件已经成功制备,如有机发光二极管和光伏电池。这些器件的工作原理一般都是基于电荷注入、电荷传输以及电子-空穴对复合这些物理过程。由于有机材料中强的电子-声子相互作用,电子态和晶格态两者相互影响。电荷的注入或光激发会诱导晶格发生畸变,因此,聚合物中的载流子不再是传统的电子或空穴,而是电荷的自陷元激发,如孤子、极化子、双极化子、激子或双激子。20世纪70年代,Su,Schrieffer和Heeger创立了Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型,用半经验的紧束缚方法研究了有机共轭聚合物—聚乙炔的电子结构和光学性质,取得了巨大的成功。此后,Bishop,Sun,Conwell,Xie等人对SSH哈密顿进行了修正,研究了各种元激发及它们的某些动力学过程。Wu等人利用非绝热的分子动力学方法研究了金属/聚合物/金属三明治结构中极化子形成的动力学过程。Yan等人模拟了金属/聚合物/金属三明治结构中双极化子形成的动力学过程。Fu等人研究了金属/有机聚合物结构中电荷的注入与输运。这些工作的进一步开展,不但有助于对导电聚合物微观物理世界的认识,更具有重要的应用价值,能够推动新型有机聚合物分子器件的研究和开发。本论文基于紧束缚的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型,对哈密顿进行了修正,利用非绝热的分子动力学方法,模拟了金属/掺杂聚合物/金属三明治结构中和金属/耦合聚合物/金属三明治结构中电荷的注入与输运。同时研究了金属/聚合物/金属三明治结构中电子和空穴注入与输运的动力学过程。本论文具体的研究内容和主要结果如下:1.金属/掺杂聚合物/金属三明治结构中电荷的注入与输运众所周知,实际的样品中是有缺陷的,这些缺陷可能来自于交叉耦合、复杂的形态学缺陷或者外来的杂质,而且电荷的注入与注出也是实际应用过程中所需要考虑的。因此研究金属/掺杂聚合物/金属三明治结构中电荷注入与输运的动力学过程是有必要而且有意义的。研究发现掺杂离子对注入到聚合物中的载流子的作用类似一个控制阀门,阀门的状态与电场的强度和偏压的大小密切相关。控制偏压不变,当外电场比较弱时,阀门处于关的状态,电荷不能通过掺杂离子;当外电场比较强时,阀门处于打开的状态,电荷几乎全能通过掺杂离子,并且通过的大部分电荷还能克服右边的界面势而进入右边的金属电极。控制电场不变,偏压比较大时,阀门处于半关闭状态,一部分注入的电荷由于具有较大的初始能,可以越过掺杂离子,继续沿着链运动。2.金属/耦合聚合物/金属三明治结构中电荷的注入与输运在实际的有机材料中,分子链的长度是有限的,因此研究链间载流子的输运是重要的而且有意义的。并且链间耦合作用对于有机聚合物的电导率以及其它的电特性起着非常重要的作用,目前越来越多的实验也显示必须考虑高聚物的链间耦合作用。由此我们研究了金属/耦合聚合物/金属三明治结构中电荷的注入与输运。研究发现电荷的链间输运不仅与驱动电场有关而且还与所加偏压有关。电场越强,偏压越大,越容易实现电荷的链间输运。因此,为了提高金属/耦合聚合物/金属三明治结构中电荷输运的效率,我们需要增加驱动电场的强度和偏压的大小。并且我们发现链间耦合部分对载流子的作用就像是一个切割器,它可以把一个波包分割成两部分,通过波包可以再分割也证明了电荷是以几率波的形式传输的。3.金属/聚合物/金属三明治结构中电子和空穴的注入与输运前人的研究大多关注的是电子的注入与输运。然而,在有机发光二极管（organic light-emitting diodes,OLED）中,电子和空穴分别从两边的金属电极同时注入到有机聚合物中并在电场的作用下运动、相遇、湮灭而发光。因此,研究带相反电荷载流子注入与输运的动力学过程对于理解OLED发光的微观机制是非常有帮助的。在此想法下,我们研究了金属/聚合物/金属三明治结构中电子和空穴注入与输运的动力学过程。由于聚合物强的电子-晶格相互作用,注入的电子和空穴在聚合物中形成了波包并在电场的驱动下相向运动。体系将形成一个中性激子态。由于电场力和电声耦合之间的竞争,形成的激子呈现了一个正反极化振荡的现象。体系最终达到一个动态的平衡。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 有机共轭聚合物的功能特性及其研究现状
• 1.2 金属/聚合物/金属三明治结构中电荷注入与输运的理论研究
• 1.3 有机发光二极管（organic light-emitting diodes,OLED）
• 1.4 理论模型以及计算方法
• 1.5 拟展开的研究内容
• 参考文献:
• 第二章 金属/掺杂聚合物/金属三明治结构中电荷的注入与输运
• 2.1 引言
• 2.2 掺杂对载流子输运的影响
• 2.2.1.外加电场为弱场,加在金属电极上的偏压为临界偏压
• 2.2.2.加在金属电极上的偏压保持不变,增加电场至中等强度
• 2.2.3.外加电场保持不变,增大加在金属电极上的偏压
• 2.3 小结
• 参考文献:
• 第三章 金属/耦合聚合物/金属三明治结构中电荷的注入与输运
• 3.1 引言
• 3.2 不同电场下电荷的注入与链间输运
• 3.2.1 弱电场下电荷的注入与链间输运
• 3.2.2 中等强度电场下电荷的注入与链间输运
• 3.2.3 强电场下电荷的注入与链间输运
• 3.3 小结
• 参考文献:
• 第四章 金属/聚合物/金属三明治结构中电子和空穴的注入与输运
• 4.1 引言
• 4.2 电子和空穴注入与输运的动力学研究
• 4.3 小结
• 参考文献:
• 第五章 总结与展望
• 硕士期间完成的论文目录
• 基金资助
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表