有机聚合物中极化子动力学模拟

论文摘要

1977年科学家们发现,通过掺杂,聚乙炔的电导率会急剧提高,可增加几个甚至几十个数量级,变成良导体。从此以后,对导电聚合物的研究便引起了人们极大的兴趣。作为一种新型的功能材料,有机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、有柔韧性、而且价格低廉等优点,成为近年来的研究热点。人们己经逐渐认识到其丰富的功能特性,从小分子到高分子,其电磁光等特性越来越明显。经过二十余年的发展,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,人们已经研制出各种各样的有机光电子器件,如有机发光二极管,场效应管,光伏电池等。与饱和聚合物不同,导电聚合物主链上的碳原子仅与其它三个原子键合,碳原子中的三个电子局域在σ轨道上,另外一个电子在离域的pz轨道上巡游,近邻碳原子pz轨道相互重叠形成大π键结构,因此可以导电。也正是因为导电高分子聚合物都有一个长程的π电子共轭主链,因而有机导电聚合物又称为有机共轭聚合物。有机聚合物具有不同于传统半导体的特性。首先,有机分子间的相互作用很弱,它们大多具有准一维结构;其次有机材料中存在着很强的电子一声子相互作用,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;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传统的电子或空穴,而是电荷的自陷元激发,如孤子、极化子等准粒子。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。由于这样的准粒子包括电荷和晶格畸变两部分,在外场的作用下,电荷的运动必然拖拽晶格畸变一起运动。因此研究聚合物中的载流子以及其在电场下的输运性质一直是理论研究的重点。20世纪70年代,Su,Schrieffer和Heeger创立的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等人对SSH哈密顿进行了修正,研究了各种元激发以及它们的某些动力学过程。这些工作的进一步开展,不但有助于对导电聚合物中的微观物理世界的认识,更具有重要的应用价值,能够推动新型有机聚合物器件的研究和开发。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,模拟了极化子产生、解离及其再复合的动力学过程,并阐述了其产生的物理机制。同时我们还研究了电场模式对极化子输运的影响。最后讨论了多链系统中极化子的输运。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究的内容
• 2 有机聚合物中极化子形成动力学研究
• 2.1 引言
• 2.2 理论模型和计算方法
• 2.3 极化子的形成过程
• 2.4 极化子的解离及其再复合
• 2.4.1 强场下极化子的解离动力学
• 2.4.2 极化子再复合动力学
• 2.5 小结
• 3 电场模式对于极化子运动的影响
• 3.1 引言
• 3.2 模型和计算方法
• 3.3 电场强度对于极化子动力学的影响
• 3.4 电场施加速率对极化子动力学的影响
• 3.5 小结
• 4 链间耦合对极化子运动的影响
• 4.1 引言
• 4.2 模型和计算方法
• 4.3 链间耦合强度对极化子运动的影响
• 4.4 链间耦合区域对极化子运动的影响
• 4.5 小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录