導(dǎo)電聚合物——坐標(biāo)空間研究.pdf

1、有機(jī)共軛聚合物具有不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的特性。首先，有機(jī)分子鏈間的相互作用很弱，它們大多具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)；其次，有機(jī)材料中存在著很強(qiáng)的電子-晶格相互作用，電子態(tài)和晶格態(tài)兩者相互影響。即電荷的注入或光激發(fā)會(huì)誘導(dǎo)晶格發(fā)生畸變，反過來，晶格的變化又影響聚合物的電子結(jié)構(gòu)。與飽和聚合物不同，導(dǎo)電聚合物主鏈上的碳原子通過s-p或s-p2軌道雜化，除了形成局域的σ電子與其它原子成鍵外，剩余的Pz電子還可與鄰近碳原子的相應(yīng)軌道重疊形成大π鍵結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生可沿

2、鏈巡游的π電子，因此可以導(dǎo)電。 聚合物中的載流子不再是傳統(tǒng)的電子或空穴，而是電荷的自陷元激發(fā)，如孤子、極化子等準(zhǔn)粒子。聚合物中的這些元激發(fā)在很大程度上決定著聚合物中的電荷輸運(yùn)，發(fā)光等物理性質(zhì)，是人們理解聚合物特性的重要基礎(chǔ)。 1977年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過摻雜反式聚乙炔的電導(dǎo)率會(huì)急劇提高，可增加幾個(gè)甚至幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，變成良導(dǎo)體。此后，對(duì)導(dǎo)電聚合物的研究便引起了人們極大的興趣。作為一種新型的功能材料，有機(jī)聚合物既具有金屬和半

3、導(dǎo)體的電子特性，又具有聚合物的易加工、有柔韌性、而且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來的研究熱點(diǎn)。此外，聚合物是軟凝聚態(tài)物質(zhì)的典型代表，它的廣泛研究推動(dòng)了人類對(duì)有機(jī)體和生命物質(zhì)的理解。 目前對(duì)聚合物中元激發(fā)的理論研究主要是基于Su、Schrieffer和Heeger創(chuàng)立的SSH模型，他們用半經(jīng)驗(yàn)的緊束縛方法研究了共軛聚合物聚乙炔的電了結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，取得了巨大成功。此后，Bishop、Sun、Conwell、Xie等對(duì)SSH哈密頓進(jìn)行了

4、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。 本論文基于Kronig-Penny方勢(shì)阱模型，建立一維導(dǎo)電聚合物的哈密頓量，根據(jù)系統(tǒng)能量是晶格位移的泛函，把晶格偏離其平衡位置設(shè)為微小擾動(dòng)，采用微擾論，模擬了基態(tài)簡并和非簡并導(dǎo)電聚合物中元激發(fā)的產(chǎn)生，研究了各種元激發(fā)的電子結(jié)構(gòu)、電荷密度和晶格位形，并與SSH模型的結(jié)論進(jìn)行了比照，以期提出研究導(dǎo)電聚合物的新方法

5、，得出具有指導(dǎo)意義的普遍性結(jié)論。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1.Kronig-Penny方勢(shì)阱模型的建立利用Kronig-Penny方勢(shì)阱模型，通過調(diào)整勢(shì)阱寬度、深度以及彈性系數(shù)，研究了基態(tài)簡并導(dǎo)電聚合物一反式聚乙炔中的元激發(fā)。通過引入簡并破缺項(xiàng)，建立了非等勢(shì)壘Kronig-Penny方勢(shì)阱模型，用以描述基態(tài)非簡并的順式聚乙炔。調(diào)整簡并破缺項(xiàng)的大小，可得到不同的帶隙。當(dāng)簡并破缺項(xiàng)為零時(shí)，此模型將簡化為描述反式聚乙炔的等勢(shì)壘的Kronig-

6、Penny方勢(shì)阱模型。 2.基態(tài)簡并聚合物中元激發(fā)的坐標(biāo)空間研究從等勢(shì)壘的Kronig-Penny方勢(shì)阱模型和微擾論出發(fā)，研究了基態(tài)簡并聚合物--反式聚乙炔一維分了鏈的基態(tài)。在奇數(shù)鏈中發(fā)現(xiàn)反式聚乙炔中存在孤子態(tài)。通過摻雜電荷可得到荷電孤子、單極化子、孤了對(duì)和孤了晶格等元激發(fā)。通過在元激發(fā)的能級(jí)結(jié)構(gòu)、電了態(tài)密度、晶格位形和電荷密度分布等方面與分立的SSH模型和連續(xù)的TLM模型的結(jié)論進(jìn)行比照，發(fā)現(xiàn)在元激發(fā)的產(chǎn)生及其晶格位形是相一致的

7、。與SSH明顯不同的是：一是能級(jí)結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性以及電了態(tài)密度隨電了能量的增加而衰減，這與一維體系電了態(tài)密度與能量關(guān)系是基本一致的；二是在電荷密度分布上，整個(gè)分了鏈上無論格點(diǎn)和鍵上都有電荷分布。 3.基態(tài)非簡并聚合物的坐標(biāo)空間研究利用非等勢(shì)壘的Kronig-Penny方勢(shì)阱模型，在坐標(biāo)空間中研究了典型的基態(tài)非簡并聚合物--順式聚乙炔。通過引入簡并破缺項(xiàng)，我們得到順式聚乙炔具有基態(tài)能量不相等的A、B相。重點(diǎn)研究了A相的基態(tài)、極化予