共軛聚合物中極化子、雙極化子和激子之間散射過程研究.pdf

1、共軛聚合物是一種新型的功能材料,既有金屬和半導體的電子特性,又有聚合物的易加工、柔韌、價格低廉等特點,因而成為近年來的研究熱點。近20年來,許多基于共軛聚合物的光電器件已經(jīng)從單純的實驗興趣轉(zhuǎn)變?yōu)樾屡d的實用技術(shù)。目前,人們已經(jīng)研制出各種各樣的有機光電了器件,如有機發(fā)光二極管(OLED)、場效應(yīng)管、光伏電池等。
　　 由于存在強的電子-聲子耦合作用,聚合物中的載流子不再是傳統(tǒng)無機半導體中的電子和空穴,而是孤子、極化子和雙極化子等由電

2、荷和品格耦合在一起的自陷態(tài),除此之外,還存在激子、雙激子等非線性元激發(fā),這些準粒子在聚合物中的運動具有豐富的物理過程。對于單個孤子、極化子和雙極化子在聚合物鏈中的運動人們已經(jīng)進行了大量的研究,取得了一系列研究成果。對于帶相反電荷的正、負極化子相遇時相互俘獲形成激子的過程,人們更是給予了極大的關(guān)注,發(fā)展了一系列方法去進行理論和實驗的研究。
　　 以共軛聚合物為基的有機發(fā)光二極管(OLED)、場效應(yīng)管、光伏電池等的電、磁、光的性質(zhì),

3、由各種非線性元激發(fā),如孤子、極化子、雙極化子以及激子和雙激子等在外場作用下的輸運、散射與復合決定,因此,研究孤子、極化子、雙極化子以及激子和雙激子等的輸運,進而研究極化子和激子、雙極化子和激子、極化子和雙極化子的之間的散射復合等過程顯得尤為重要,但是目前人們對這些過程的研究還非常少。因此,我們希望通過著重研究這些元激發(fā)間的散射、復合過程,弄清楚這些過程中體系的電子態(tài)如何演化,它們散射、復合后的產(chǎn)物是什么,以及這些產(chǎn)物對聚合物的輸運、發(fā)光

4、等性質(zhì)有何影響。
　　 分子動力學方法已經(jīng)被廣泛用來研究聚合物中載流子的輸運和正、負極化子的散射、復合等過程,并證明是一種非常有效的方法。本文我們在緊束縛近似的基礎(chǔ)上,采用非絕熱的分子動力學方法,通過建立合適的模型,分別模擬了雙極化子和激子、極化子和激子以及極化子和雙極化子的散射過程,得到了一些有意義的結(jié)果。
　　 1.雙極化子和激子的散射復合過程
　　 通過對Su-Schrieffer-Fteeger(SSH)

5、模型哈密頓進行修正,使其包括電場作用項,利用非絕熱的分子動力學方法,我們模擬一個帶負電的雙極化子和一個激子的散射過程。結(jié)果表明,當雙極化子和激子相遇時,主要有兩個反應(yīng)通道:(1)雙極化子把一個電子轉(zhuǎn)移給激子,結(jié)果是激子轉(zhuǎn)變成激發(fā)念的極化子,同時雙極化予變?yōu)闃O化子；(2)雙極化子把攜帶的全部電荷轉(zhuǎn)移給激子,結(jié)果激子轉(zhuǎn)變成雙極化子,而雙極化子變?yōu)榧ぷ?。我們通過把體系的演化波函數(shù)投影到本征波函數(shù)上的方法計算了這兩個通道的幾率,發(fā)現(xiàn)小電場下,第

6、一個通道的幾率大約為50％,第二個通道大約為25％。較強電場下,第一個通道的幾率大約為60％,第二個通道大約為20％。
　　 雙極化子和激子復合可以形成一個極化子和一個激發(fā)態(tài)的極化子是我們本工作的一個重要發(fā)現(xiàn)。而激發(fā)態(tài)的極化子是可以通過輻射躍遷回到基態(tài)的,這表明雙極化子和激子的散射過程對聚合物的發(fā)光效率會產(chǎn)生一定影響。
　　 2.帶相反電荷的極化子和雙極化子的散射復合過程
　　 基于SSH哈密頓,同時考慮了電場和

7、電子-電子相互作用對SSH哈密頓的修正,采用非絕熱的分子動力學方法模擬一條聚合物鏈中一個帶負電的極化子和一個帶正電的雙極化子的散射過程。研究發(fā)現(xiàn),當外電場小于某一臨界電場時,極化子和雙極化子的反應(yīng)主要有三個通道:(1)極化子和雙極化子之間不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,但它們復合形成一個較大的品格缺陷,稱之為“荷電激子態(tài)”；(2)將通過電荷轉(zhuǎn)移復合形成一個帶正電的激發(fā)態(tài)的極化子；(3)束縛在極化子晶格缺陷中的電子被激發(fā)到導帶形成自由電荷。當外電場大于臨

8、界電場時,極化子和雙極化子將彼此穿越對方而不發(fā)生反應(yīng)。
　　 與雙極化子和激子的散射過程相同,極化子和雙極化子散射后的產(chǎn)物中也存在激發(fā)態(tài)極化子。同樣,激發(fā)態(tài)的極化子可以通過釋放一個光子回到基態(tài),因此極化子和雙極化子的散射也會對聚合物的發(fā)光效率產(chǎn)生影響。
　　 3.極化子和三重態(tài)激子的散射過程
　　 基于SSH哈密頓,同時考慮電場和電子-電子相互作用對SSH哈密頓的修正,采用非絕熱的分子動力學方法模擬了極化子和三重

9、態(tài)激子之間的散射過程。計算表明,極化子和三重態(tài)激子的散射過程與它們的自旋有很大關(guān)系:(1)當極化子和激子的自旋平行時,它們之間存在微弱的排斥力,但在外電場的作用下,極化子可以很容易的穿越激子；(2)若極化子和激子的自旋反平行,相比前一種情況,它們之間的排斥力很強。小電場下極化子碰到激了時被彈開。若電場較強,極化子也可以穿越激子,但是當電子-電子相互作用取得較強時,極化子將不能穿越激子,而是解離。分析表明,由于極化子的束縛能遠比激子的束縛

10、能小,所以在各種情況下,極化子均不能通過碰撞使激子解離。
　　 綜上所述,極化子很難和激子發(fā)生反應(yīng),這主要是由于極化子和激子的能級差較大有關(guān)。較大的能級差使得電子在它們之間的轉(zhuǎn)移很困難,因此很難有新的準粒子生成。另外較大的能級差也說明它們之間的束縛能較大,這樣就導致極化子在和激子的碰撞過程中總是先于激子解離。這些結(jié)果意味著在聚合物中三重態(tài)激子主要是與雙極化子發(fā)生反應(yīng)而不是極化子,這有待進一步的實驗證實。
　　 我們首次從