共轭聚合物中极化子的动力学性质

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共轭聚合物具有不同于传统半导体的特性,它们是强电一声相互作用的准一维体系,其载流子不再是简单的电子和空穴,而是伴随晶格畸变的具有内部结构的复合粒子(自旋1/2的极化子、自旋为0的双极化子等),这些载流子的输运、以及正负极化子对复合成激子的过程在很大程度上决定着聚合物的电致发光性质。本论文基于一维紧束缚的Su-Schfieffer-Heeger(SSH)模型,采用非绝热的分子动力学的方法,针对高分子聚合物中一些尚未清楚的问题,如极化子在不同体系中的动力学性质、正负极化子的非弹性散射过程,以及电子一电子相互作用对极化子动力学性质的影响等问题进行了较详细的研究。论文结果由三部分内容构成。 1.导电聚合物中极化子的动力学性质研究在第三章,基于忽略了电子一电子相互作用的紧束缚的SSH模型和它的扩展模型,采用非绝热分子动力学的方法,我们研究了聚合物中极化子的动力学性质,研究结果表明: (1)极化子在电场的作用下运动,具有稳定速度,稳定速度随着电场强度(E<,0>)和加入方式、简并破缺参数(t<,e>)、电声耦合参数(a)的变化都会发生改变。这是因为这些参数的变化都会引起极化子局域度的改变和极化子中局域电荷的数量变化,极化子的局域度越弱,局域的电荷数量越少,极化子的稳定速度越大。 (2)极化子在耦合聚合物界面的动力学对有机发光二极管中的输运和发光性质有着重要的影响,研究结果表明:极化子在聚合物耦合界面的输运依赖于影响界面处势垒高度的失配参数△<,e>,影响两条链间耦合长度(或强弱)的界面耦合强度参数t<,h>,以及提高极化子动能的电场强度E<,0>,即电场强度越强、界面耦合强度越大、失配参数越小,极化子就越容易跃迁过耦合界面到相邻的聚合物链。 2.导电聚合物中正负极化子对的非弹性散射过程在第四章,我们还研究了正负极化子对的非弹性散射过程,发现它们的散射过程在不同的电场强度下,对于电荷和晶格缺陷是不同的,依赖于链间耦合强度。 (1)聚合物中极化子对的非弹性散射对电场强度的依赖关系表明: 在弱场(小于0.1mV/A)时,电荷由于量子隧穿相互抵消,但不改变符号,极化子晶格碰撞后带着剩余的电荷返回,但是它们不能分得很远,在电场作用下,可进行第二次碰撞,结合成一个整体,然后又分成一对中性的孤子对。在中等强度的电场下(0.1 mV/A≤1.2 mV/A),两个极化子晶格碰撞后分开,但是它们分别带着与入射时相反符号的电荷。这时它们是极化子和激子的混合体。在强场时(E<,0>>1.2mY/A),依赖于初始条件和基态的简井l生,两个极化子品格可能合成一个整体,然后解离为一对荷电的孤子对;也可能形成许多弱局域的晶格振动,电荷分布在这些浅的局域态中。 (2)在不同的电场强度下,聚合物界面处极化子对的非弹性散射对界面耦合强度的依赖关系表明: 在电场的作用下,正负极化子对在耦合界面碰撞,如果界面耦合强度较小,极化子碰撞后带着原来的电荷返回,局域在两个极化子中的电荷数量基本不变,也不改变符号。随着耦合强度的增加,电子波函数交叠程度增加,局域在两个极化子中的电荷逐渐减少,但也不改变符号,极化子晶格碰撞后带着剩余的电荷返回,它们是极化子和激子的混合体。当耦合强度很大时(例如E<,0>=0.1mV/A,t<,h>≥1.88eV),正负极化子碰撞后,将在一条链上形成极化子激子,基态简并体系中,极化子激子演化成一对孤子和反孤子对,而另一条链恢复为二聚化状态。在强电场和大的耦合强度作用下时,两个极化子晶格碰撞后分开,但是它们分别带着与入射时相反符号的电荷返回时,极化子解体,变成了自由的电子和空穴。 3.电子一电子相互作用对极化子动力学性质的影响第五章基于一维紧束缚SSH模型和扩展的Hubbard模型,采用非绝热分子动力学方法,在非限制性Hartree-Fock(HF)平均场近似下,我们研究了电子-电子相互作用对共轭聚合物链中荷电极化子的运动特性的影响,结果表明:电子-电子相互作用解除了极化子能级的自旋简并;电子-电子相互作用改变了极化子的局域程度;对于Hubbard模型,稳定速度最大值出现在电荷密度波(CDW)和自旋密度波(SDW)的量子相变点U=0;对于排斥相互作用(U,y>0)的扩展的Hubbard模型(EHM),在同—格点间相互作用(U)和相邻格点间相互作用(V)的作用下,荷电极化子在电场作用下的运动速度也发生了变化,极化子的稳定速度的最大值出现在CDW-SDW的量子相变点U≈2V的区域附近。
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