有機(jī)半導(dǎo)體中的Zener隧穿.pdf

1、1934年，Zener首次從理論上預(yù)言了半導(dǎo)體中的能帶電子在外加線性勢(shì)場(chǎng)的影響下，會(huì)發(fā)生電子的帶間隧穿現(xiàn)象。這種隧穿被人們后來稱之為Zener隧穿。Zener隧穿在半導(dǎo)體科學(xué)，超導(dǎo)科學(xué)，光電科學(xué)，以及電子學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以Zener隧穿為原理，人們研制出被用作穩(wěn)壓二極管的Zener Diodes；以及在超導(dǎo)領(lǐng)域中重要的器件Josephson Junctions；在光子晶體中加速光晶格中的原子等等。幾十年來，有關(guān)Zener隧穿的相

2、關(guān)研究層出不窮，吸引著更多的研究者投身到與其相關(guān)的工作中。 然而迄今為止，人們似乎對(duì)于無機(jī)半導(dǎo)體中的Zener隧穿的研究興趣遠(yuǎn)大于其在有機(jī)半導(dǎo)體中的應(yīng)用。很少有人在有機(jī)半導(dǎo)體中給出一個(gè)清晰完整的Zener隧穿機(jī)制的圖像。在一維有機(jī)共軛聚合物中，人們普遍認(rèn)為其gap的產(chǎn)生根源于一維系統(tǒng)中所特有的二聚化現(xiàn)象。不同于無機(jī)半導(dǎo)體較穩(wěn)定的能帶結(jié)構(gòu)，由于存在了強(qiáng)的電子——晶格耦合作用，有機(jī)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)在外加強(qiáng)電場(chǎng)下會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化。在這

3、樣的情況下，有機(jī)半導(dǎo)體中的Zener隧穿是個(gè)什么樣的圖像呢?有什么不同于傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體中的隧穿機(jī)制呢?本文正是基于這些疑問，以最簡(jiǎn)單的一維有機(jī)半導(dǎo)體材料聚乙炔為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算的方法，考察其在低溫強(qiáng)電場(chǎng)情況下的電子態(tài)的情況，并最終清楚地得到了聚乙炔中的Zener隧穿圖象。本文也將有機(jī)半導(dǎo)體中的Zener隧穿與無機(jī)半導(dǎo)體中的Zener盯隧穿情況進(jìn)行了比較，使我們更進(jìn)一步拓寬了對(duì)于Zener隧穿的認(rèn)識(shí)。 第一章系統(tǒng)介紹了到目前

4、為止，人們對(duì)于無機(jī)半導(dǎo)體中的Zener隧穿的研究成果。其中涉及到大量Zener隧穿的各種實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)應(yīng)用。并介紹了理論上研究傳統(tǒng)Zener隧穿人們使用的方法，主要是半經(jīng)典的方法以及量子微擾的方法。我們期待將這些方法應(yīng)用在以后的有關(guān)有機(jī)半導(dǎo)體Zener隧穿的解析理論推導(dǎo)工作中。尤其是在概念上拓展了Zener隧穿的物理外延，認(rèn)為不必一定是傳統(tǒng)晶體中的電子系統(tǒng)，即使是光子晶體中，聲子系統(tǒng)中，含有Haldane gap的自旋系統(tǒng)中，只要是含有周

5、期結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，在外加線形勢(shì)場(chǎng)情況下，有粒子（光子、聲子、磁量子）的帶間轉(zhuǎn)移發(fā)生的情況，這些都被稱為Zener隧穿。因此我們可以期待在各種新的系統(tǒng)中研究各種有趣的Zener隧穿圖象。 第二章，我們過渡到有機(jī)半導(dǎo)體中的Zener隧穿相關(guān)研究介紹，這方面的工作相對(duì)來說較少。主要是介紹了Kazumi Maki早先提出的一維Charge Density Wave Condensates中電場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生孤子對(duì)的理論研究以及A．B．Kaiser

6、在有機(jī)共軛聚合物的低溫導(dǎo)電機(jī)制的研究。這兩個(gè)理論工作為我們的研究提供了可靠的參照與有益的提示。我們很自然的預(yù)測(cè)到，在有機(jī)Zener隧穿中，電子——晶格的耦合將起到重要作用，并預(yù)計(jì)能觀察到相應(yīng)的局域能級(jí)以及局域態(tài)伴隨著Zener隧穿出現(xiàn)。另外介紹了在目前熱門的單壁碳納米管與單層石墨帶中的Zener隧穿的工作，這啟發(fā)我們進(jìn)行在新型材料中對(duì)于傳統(tǒng)物理圖像的研究。在本章的最后我們介紹了在一維有機(jī)格點(diǎn)中有關(guān)Bloch振蕩、Zener隧穿的最近工作

7、。 第三章，我們采用傳統(tǒng)的SSH半經(jīng)典模型處理聚乙炔電子系統(tǒng)，求解在外加強(qiáng)電場(chǎng)情況下的系統(tǒng)狀態(tài)，利用電子——晶格耦合方程，采用自洽迭代方法計(jì)算每個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。我們用電子在能帶中基態(tài)占據(jù)、單激發(fā)態(tài)占據(jù)、雙激發(fā)態(tài)占據(jù)來分別表示未發(fā)生Zener隧穿，發(fā)生一個(gè)電子Zener隧穿與發(fā)生兩個(gè)電子Zener隧穿的情形。通過比較每個(gè)電場(chǎng)下這些不同占據(jù)態(tài)的能量大小來確定究竟是否有電子隧穿更穩(wěn)定，隧穿幾個(gè)電子更穩(wěn)定。在有Zener隧

8、穿發(fā)生的情況下，我們?cè)敿?xì)的計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu)，晶格位形，電子密度分布等重要物理指標(biāo)，以期得到全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場(chǎng)到達(dá)一個(gè)臨界值時(shí)，聚乙炔中單電子激發(fā)占據(jù)方式的能量更低，即此時(shí)發(fā)生第一個(gè)電子的Zener隧穿，同時(shí)整條鏈上突然產(chǎn)生電荷極化與晶格的畸變，在能帶中觀察到局域能級(jí)。我們相應(yīng)計(jì)算了剛性晶格的Zener隧穿，對(duì)兩者進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體中帶隙中出現(xiàn)的局域能級(jí)對(duì)隧穿有一定的輔助作用，有機(jī)半導(dǎo)體比傳統(tǒng)的剛性半導(dǎo)體更容易發(fā)生Zen