基于非對稱分子有機(jī)器件的磁效應(yīng)理論研究.pdf

1、2003年Kalinowski et al.發(fā)現(xiàn)對無磁性有機(jī)材料施加磁場后通過器件的電流會發(fā)生顯著的變化。自此以后，有機(jī)磁效應(yīng)(OMFE)在實(shí)驗(yàn)上和理論上得到了廣泛的研究。在實(shí)驗(yàn)上，人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)磁效應(yīng)具有以下幾種性質(zhì):
　　 (1)有機(jī)磁效應(yīng)出現(xiàn)在各種無磁性的有機(jī)器件中，并且這種效應(yīng)沒有被溫度效應(yīng)掩蓋，在室溫下仍可以測量到明顯的磁效應(yīng)，如T.D.Nguyen在室溫下測得的磁電導(dǎo)(MC)達(dá)到-23％。
　　 (2)磁電阻，

2、光致發(fā)光，光電流，電致發(fā)光對弱磁場的依賴性非常明顯。有機(jī)磁效應(yīng)是一種弱磁場效應(yīng)，一般只需施加幾個mT的磁場，電流就會發(fā)生明顯的變化。
　　 (3)不同的有機(jī)器件，如小分子，低聚物，高聚物等，對磁場的響應(yīng)不同。一般實(shí)驗(yàn)上測得的OMFE可以用洛倫茲型B2/（B2+B20）和非洛茲型[B/(B+B0)]2及其它們的組合公式進(jìn)行擬合。但是對有些材料，OMFE還可以用指數(shù)形式的公式來進(jìn)行擬合。
　　 (4)磁效應(yīng)隨電壓，溫度等外界

3、因素的變化沒有明顯的規(guī)律可循。
　　 (5)磁效應(yīng)有正有負(fù)。
　　 正是由于如此豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使得大量的理論物理學(xué)家花費(fèi)大量的精力去研究有機(jī)磁效應(yīng)的物理機(jī)制。當(dāng)前很大一部分人認(rèn)為應(yīng)該從自旋的角度出發(fā)研究OMFE。在所有基于自旋的模型中，超精細(xì)相互作用被認(rèn)為是一個關(guān)鍵因素。基于自旋和超精細(xì)場的理論主要有三個，激子機(jī)制，電子空穴對機(jī)制和雙極化子機(jī)制。到目前為止，人們已采用躍遷理論對上述三種機(jī)制進(jìn)行了具體的計(jì)算分析，得到的結(jié)果

4、解釋了很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，包括洛倫茲形式和非洛倫茲形式的磁電導(dǎo)行為，超小磁場下的奇異行為以及磁電導(dǎo)的正負(fù)。然而對于電壓，溫度，尺寸大小等外界因素對磁電導(dǎo)的影響沒有給出具體的理論分析。除了自旋角度之外，還有人對磁場影響電子軌道動量做了研究。2010年王向榮和解士杰提出一種基于電荷洛倫茲效應(yīng)的機(jī)制來解釋OMFE。他預(yù)測一個非對稱的電子軌道會導(dǎo)致明顯的磁效應(yīng)。最近，Alexandrov et al.提出了一種基于非零軌道動量的MC。他們發(fā)現(xiàn)弱磁場可

5、以收縮和擴(kuò)展電子的p軌道。
　　 本論文基于SSH模型，考慮磁場對電子躍遷積分的影響，利用非絕熱的動力學(xué)方法，模擬了極化子的運(yùn)動和碰撞，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，分析了洛倫茲效應(yīng)對OMR的重要性以及分子不對稱性和電聲耦合作用對磁效應(yīng)的影響。本論文具體的研究內(nèi)容和主要結(jié)構(gòu)如下:
　　 1.基于緊束縛的SSH模型，利用非絕熱的動力學(xué)方法，研究極化子的運(yùn)動速度與外加磁場的關(guān)系。外加磁場會使載流子的躍遷概率增加，但是這個增加量是一個小量，經(jīng)過

6、計(jì)算發(fā)現(xiàn)它僅能使極化子運(yùn)動速度增加0.008％（磁場大小為300mT），這么小的增加量在實(shí)驗(yàn)中往往被當(dāng)作實(shí)驗(yàn)誤差來處理，由此，速度的增加并不是產(chǎn)生有機(jī)磁效應(yīng)的根本原因。
　　 2.器件中電流的大小主要有載流子的運(yùn)動速度和載流子的濃度決定。在雙極性器件中，正負(fù)極化子碰撞后會產(chǎn)生一個混合態(tài)，這個混合態(tài)里包括了激子態(tài)，而激子態(tài)的多少決定了碰撞后載流子電荷量的多少。當(dāng)施加一個外磁場后，它會改變正負(fù)極化子的位相，從而改變兩個極化子碰撞后的

7、激子產(chǎn)率。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)激子的產(chǎn)率隨磁場的增加而線性減小，由此產(chǎn)生了負(fù)的MC。
　　 3.有機(jī)磁效應(yīng)僅僅在有機(jī)材料中發(fā)現(xiàn)，對于無機(jī)材料，在實(shí)驗(yàn)上并沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。根據(jù)這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們分析，這個可能是由兩種原因造成的。
　　 第一，有機(jī)材料的分子與無機(jī)材料不同，有機(jī)分子大多數(shù)是不對稱的分子結(jié)構(gòu)，如sp軌道雜化中的π電子。根據(jù)計(jì)算，增加分子的不對稱性會使磁效應(yīng)增加。對于對稱的分子結(jié)構(gòu)，我們得到的磁效應(yīng)是零。