實(shí)坐標(biāo)空間下聚合物電子結(jié)構(gòu)及電荷輸運(yùn)性質(zhì)的研究.pdf

1、早在20世紀(jì)70年代初，Heeger，Macdiam以及shirakawa等人就曾發(fā)現(xiàn)：通過對(duì)絕緣材料反式聚乙炔進(jìn)行摻雜，其電導(dǎo)率急劇提高，可以增加幾個(gè)甚至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料相比，聚合物等有機(jī)材料具有很強(qiáng)的電子——晶格相互作用，電子的摻雜或激發(fā)同時(shí)導(dǎo)致晶格的畸變。因此，聚合物中的載流子不再是傳統(tǒng)的電子或空穴，而是孤子、極化子、雙極化子等電子——晶格的藕合態(tài)。 自從發(fā)現(xiàn)聚合物材料通過摻雜可以實(shí)現(xiàn)類似金屬的導(dǎo)電性以后，人

2、們對(duì)有機(jī)共軛聚合物結(jié)構(gòu)和特性的認(rèn)識(shí)不斷深入和提高，新型交叉學(xué)科—導(dǎo)電高分子學(xué)誕生了．在隨后的研究中，科研工作者又逐步發(fā)現(xiàn)了聚毗咯、聚對(duì)苯撐、聚噻吩、聚對(duì)苯乙炔等導(dǎo)電高分子。所謂導(dǎo)電高分子即共軛聚合物，其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能使它們成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)．與金屬材料相比，導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕、易成形、耐腐蝕性好、可選擇的電導(dǎo)率范圍寬、結(jié)構(gòu)易變和半導(dǎo)體特性、具有高電導(dǎo)率、可逆氧化還原性、不同氧化態(tài)下的光吸收特性、電荷儲(chǔ)存性、導(dǎo)電

3、與非導(dǎo)電狀態(tài)的可轉(zhuǎn)換性等。作為不可替代的新興基礎(chǔ)有機(jī)功能材料之一，導(dǎo)電高分子材料在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導(dǎo)線和分子器件，以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)上有著廣泛、誘人的應(yīng)用前景。 在理論研究方面，隨著 TLM模型和 SSH模型的問世，人們對(duì)導(dǎo)電高分子的研究有了突破性的進(jìn)展，提出了在高聚物中建立孤子和極化子的概念，并成功地解釋了聚合物的導(dǎo)電機(jī)理。此后，Bishop、Sun、Conwell、Xie等對(duì)SSH哈密頓進(jìn)行

4、了修正，研究了各種元激發(fā)以及它們的某些動(dòng)力學(xué)過程。這些工作的進(jìn)一步開展，對(duì)共軛聚合物中的微觀物理世界的認(rèn)識(shí)具有重要的意義。 分子束外延（MBE）和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等材料制備技術(shù)極大地推動(dòng)了現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展。電子隧穿問題是研究半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，所以進(jìn)一步研究導(dǎo)電聚合物獨(dú)特的導(dǎo)電機(jī)制，以及由此所具有的輸運(yùn)特性，對(duì)于分子電子學(xué)理論的深化和應(yīng)用推廣都將是有意義的。 本論文選用Kronig—Penny方勢(shì)阱

5、模型，用方勢(shì)阱模擬電子—晶格間的耦合，在實(shí)坐標(biāo)空間中研究了聚合物中的各種元激發(fā)，得到其電子結(jié)構(gòu)、電荷密度和晶格位形等物理量，并與SSH模型的結(jié)論進(jìn)行了比照。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1．了解某種物質(zhì)的導(dǎo)電性，通常情況下是從能帶的角度出發(fā)討論，而最關(guān)鍵的是求解薛定諤方程，所謂各種理論模型無(wú)非是建立一個(gè)能夠得到該方程的解，并包含影響系統(tǒng)狀態(tài)主要因素的哈密度量。而薛定諤方程只在很少情況下才能得到解析解。SSH模型用二次量子化的方法，得

6、到了一維導(dǎo)電聚合物在格點(diǎn)空間的薛定諤方程的數(shù)值解。本文中用方勢(shì)阱表示格點(diǎn)原子及相鄰原子對(duì)π電子的平均作用勢(shì)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可在坐標(biāo)空間中求解薛定諤方程，通過迭代求解本征方程和平衡方程，可得到坐標(biāo)空間下的電子本征波函數(shù)及系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡分布，從而得到該系統(tǒng)的各種電性質(zhì)。以反式聚乙炔為例，分別給出基態(tài)、及孤子、極化子激發(fā)態(tài)時(shí)的晶格位形、本征能級(jí)、態(tài)密度等物理量。 2．電子隧穿問題是研究半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。方勢(shì)阱模型的另一個(gè)重要用途在于，

7、在此模型的基礎(chǔ)上，利用傳遞矩陣的方法，可以得到一維分子鏈的透射系數(shù)。文中討論了二聚化對(duì)聚乙炔分子線透射率的影響，隨著二聚化的發(fā)生，透射譜線發(fā)生了很大的變化，聚乙炔由良導(dǎo)線變?yōu)榻^緣體或半導(dǎo)體，并與二聚化的程度有關(guān)。 3．純凈的聚乙炔和摻雜后的聚乙炔電導(dǎo)率有著很大的不同，分別計(jì)算了純凈的聚乙炔和摻雜后的聚乙炔分子線的透射率。摻雜后的聚乙炔輸運(yùn)能力明顯提高。 4．最后討論了晶格原子與π電子間的耦合，即勢(shì)阱的尺度對(duì)分子線透射率的