有機(jī)聚合物異質(zhì)結(jié)中電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的理論研究.pdf

1、作為一種新型的功能材料，有機(jī)半導(dǎo)體一直是物理、化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域和交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)。它具有π共軛結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的載流子傳輸性能，因而具有豐富的電磁光特性。易加工和獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)使得有機(jī)材料比金屬或晶體半導(dǎo)體要容易加工得多，在低溫下加工電子材料的可能性給廉價(jià)加工帶來(lái)了希望。在過(guò)去的幾十年里，人們利用有機(jī)半導(dǎo)體材料研制了各種光電器件，如有機(jī)太陽(yáng)能電池、有機(jī)發(fā)光二級(jí)管和有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。這一領(lǐng)域需要物理、化學(xué)、高分子科學(xué)、流體力學(xué)、電氣與電

2、子工程以及光學(xué)等廣泛的跨學(xué)科的知識(shí)。有機(jī)發(fā)光二級(jí)管、有機(jī)太陽(yáng)能電池、有機(jī)晶體管、有機(jī)光探測(cè)器以及有機(jī)生物傳感器等已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。
　　過(guò)去的幾十年里，給體—受體聚合物異質(zhì)結(jié)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了有機(jī)光伏電池和有機(jī)發(fā)光二級(jí)管中。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)就是一種聚合物（給體型）的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低占據(jù)分子軌道(LUMO)在能量上都分別比另一種聚合物（受體型）中的相應(yīng)能級(jí)要高。在給體—受體聚合物異質(zhì)結(jié)中，光激發(fā)可以

3、使得給體HOMO上的電子躍遷到受體LUMO上，這樣，受體分子上的電子和給體分子上的空穴因?yàn)閹?kù)倫吸引束縛在一起，形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(charge-transfer state,CT)。
　　本論文中我們?cè)谝痪S緊束縛SSH模型基礎(chǔ)上對(duì)哈密頓量進(jìn)行了修正，從理論上研究了給體—受體聚合物異質(zhì)結(jié)中的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。具體的研究?jī)?nèi)容和基本結(jié)果如下:
　　聚合物異質(zhì)結(jié)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是能階，大的能階能夠提高電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的解離幾率，或者抑制電荷轉(zhuǎn)移態(tài)

4、到激子的再?gòu)?fù)合，但是過(guò)大就會(huì)降低光伏電池的開(kāi)路電壓限制發(fā)光效率。之前Bittner等人對(duì)于電荷轉(zhuǎn)移（或激子解離）對(duì)于能階依賴的理論研究表明電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的解離需要能階大于激子的束縛能。聚合物的鏈間耦合在電荷轉(zhuǎn)移或者激子解離這一過(guò)程中也是很重要的參數(shù)。早期研究發(fā)現(xiàn)，大的鏈間耦合將很大程度上降低激子的束縛能。
　　我們構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)體系包含兩條平行的聚合物分子鏈，通過(guò)抬高一條鏈的在位能使得兩條鏈的相應(yīng)能級(jí)之間形成能階。我們考慮兩條分子鏈之間

5、通過(guò)直接轉(zhuǎn)移形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)這樣的靜態(tài)過(guò)程。我們比較了激子和電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的靜態(tài)圖像，隨后計(jì)算了激子和電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的產(chǎn)生能和束縛能，通過(guò)這些我們?cè)陟o態(tài)圖像里分析電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的穩(wěn)定性。鏈間的電荷轉(zhuǎn)移是依賴于能階和鏈間耦合的，這對(duì)于電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的研究也是很重要的。通過(guò)討論，我們的目標(biāo)是對(duì)于在不同給體—受體聚合物異質(zhì)結(jié)應(yīng)用中選擇最優(yōu)的能階和鏈間耦合給出指導(dǎo)。
　　本論文中的結(jié)論都比較直觀和淺顯的用圖像表現(xiàn)了出來(lái)。激子是存在于一條鏈上的，在一條鏈上會(huì)

6、有晶格畸變，兩條鏈上都沒(méi)有靜電荷分布;電荷轉(zhuǎn)移態(tài)是兩條鏈上的正負(fù)極化子的耦合態(tài)，在兩條鏈上都有晶格畸變，兩條鏈上也都有靜電荷分布。電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的產(chǎn)生能是隨能階減小而減小的，而激子的產(chǎn)生能是不變的，但是激子態(tài)在能階大于臨界值時(shí)就不會(huì)存在了。電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的束縛能隨能階降低也會(huì)減小，直到小于室溫?zé)崮?，束縛能降到室溫?zé)崮苤乱馕吨覝叵碌臒釢q落對(duì)于電荷轉(zhuǎn)移態(tài)解離成光電流是足夠的。鏈間的電荷轉(zhuǎn)移量隨著能階的增加而增加，并且最終飽和到一個(gè)電子電量，隨著