導電聚合物——坐標空間研究.pdf

1、有機共軛聚合物具有不同于傳統(tǒng)半導體的特性。首先，有機分子鏈間的相互作用很弱，它們大多具有準一維結構；其次，有機材料中存在著很強的電子-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)會誘導晶格發(fā)生畸變，反過來，晶格的變化又影響聚合物的電子結構。與飽和聚合物不同，導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軌道重疊形成大π鍵結構，從而產(chǎn)生可沿

2、鏈巡游的π電子，因此可以導電。 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，發(fā)光等物理性質，是人們理解聚合物特性的重要基礎。 1977年科學家們發(fā)現(xiàn)，通過摻雜反式聚乙炔的電導率會急劇提高，可增加幾個甚至幾十個數(shù)量級，變成良導體。此后，對導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，有機聚合物既具有金屬和半

3、導體的電子特性，又具有聚合物的易加工、有柔韌性、而且價格低廉等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點。此外，聚合物是軟凝聚態(tài)物質的典型代表，它的廣泛研究推動了人類對有機體和生命物質的理解。 目前對聚合物中元激發(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)驗的緊束縛方法研究了共軛聚合物聚乙炔的電了結構和光學特性，取得了巨大成功。此后，Bishop、Sun、Conwell、Xie等對SSH哈密頓進行了

4、修正，研究了各種元激發(fā)以及它們的某些動力學過程。這些工作的進一步開展，對共軛聚合物中的微觀物理世界的認識具有重要的意義。 本論文基于Kronig-Penny方勢阱模型，建立一維導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為微小擾動，采用微擾論，模擬了基態(tài)簡并和非簡并導電聚合物中元激發(fā)的產(chǎn)生，研究了各種元激發(fā)的電子結構、電荷密度和晶格位形，并與SSH模型的結論進行了比照，以期提出研究導電聚合物的新方法

5、，得出具有指導意義的普遍性結論。主要研究內(nèi)容和結果如下： 1.Kronig-Penny方勢阱模型的建立利用Kronig-Penny方勢阱模型，通過調(diào)整勢阱寬度、深度以及彈性系數(shù)，研究了基態(tài)簡并導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，建立了非等勢壘Kronig-Penny方勢阱模型，用以描述基態(tài)非簡并的順式聚乙炔。調(diào)整簡并破缺項的大小，可得到不同的帶隙。當簡并破缺項為零時，此模型將簡化為描述反式聚乙炔的等勢壘的Kronig-

6、Penny方勢阱模型。 2.基態(tài)簡并聚合物中元激發(fā)的坐標空間研究從等勢壘的Kronig-Penny方勢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、孤了對和孤了晶格等元激發(fā)。通過在元激發(fā)的能級結構、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模型的結論進行比照，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：一是能級結構上的不對稱性以及電了態(tài)密度隨電了能量的增加而衰減，這與一維體系電了態(tài)密度與能量關系是基本一致的；二是在電荷密度分布上，整個分了鏈上無論格點和鍵上都有電荷分布。 3.基態(tài)非簡并聚合物的坐標空間研究利用非等勢壘的Kronig-Penny方勢阱模型，在坐標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，我們得到順式聚乙炔具有基態(tài)能量不相等的A、B相。重點研究了A相的基態(tài)、極化予