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有机导电高分子作为一种新型的功能材料,人们已经逐渐认识到其丰富的功能特性。从小分子到高分子,其电磁光等特性越来越明显。对具有准一维特征的导电聚合物的结构和物性,特别是它的电特性,可以说已经有了一个比较准确的理解,无论从量化还是物理建模出发,都得到了与实验基本一致的理论结果。有机发光二极管是有机分子材料的一个重要应用,目前以小分子合成的发光器件已经实用化,高分子有机发光二极管也达到使用标准。另一方面,聚合物是软凝聚态物质的典型代表,也是理解有机体、生物物质的基础。有机分子电子学、DNA分子电子学引起了人们的关注和研究。单个分子开关和分子导线已经研制成功,由此可设计分子尺度的电子逻辑计算。DNA分子处于动力学无形态,具有宽带隙的非晶半导体特征。所有这些工作都揭示出有机材料存在丰富的物理功能特性,同时也表明对有机材料的研究必须综合物理、化学甚至生物学的各种手段。
由于有机导电高分子丰富的功能特性和良好的发展前景,吸引了众多理论和实验工作者对其导电特性,电子结构等广泛的研究。有机导电高分子中存在着强的电-声相互作用,这是有机半导体与传统的无机半导体的根本区别所在。所以深入了解有机导电高分子中的电-声相互作用,对于研究有机导电高分子的电子结构等性质有重要的意义。
目前针对有机导电高分子的研究模型主要有三种,分别为实坐标空间模型;紧束缚模型;连续介质模型。其中人们大多数都采用紧束缚模型。这个模型是Su等人早在1978年针对反式聚乙炔提出的,它成功的解决了孤子问题。后来人们又在此模型基础上进行了扩展,给出了聚合物的基态和各种激发态,被广泛地用来研究高分子聚合物的各种性质。如人们在此模型上记入Brazovskii-Kirova-type对称项破缺,将其推广到基态非简并系统。但该模型也具有一定的局限性,如将品格原子经典处理,适用于低温环境,高温下晶格振动会导致大量声子的出现,经典处理就会带来很大误差。要想克服这个局限性,引入声子,将晶格量子化处理,建立有机导电高分子的声子模型具有很多的意义。
近年来,针对有机分子材料的声子模型的建立工作吸引很多理论工作者的兴趣,目前理论研究电-声子相互作用的模型主要有两种,一种是以Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型为代表的紧束缚近似,充分考虑了电子-晶格相互作用,给出了聚合物的基态和各种激发态,被广泛地用来研究高分子聚合物的各种性质。SSH模型实际上主要考虑了非局域的电子-声子耦合,这种耦合是电子与声学声子相互作用的结果,主要来解释单双键交替骨架结构的材料的一些性质;另一种是以Holstein模型为代表的全量子化模型,主要计入局域电子-声子耦合,即考虑电子与光学声子相互作用的模型。人们通过数值计算和近似的方法来研究大极化子和小极化子的问题。电子和晶格的全量子化处理起来非常繁琐,只能得到一些特解。由于在实际的材料中,局域和非局域的电子-声子耦合是同时存在的,本论文针对有机导电高分子,在一维紧束缚SSH模型和Holstein模型的基础上,深入到材料的微观结构,将同时计入两种电子-声子耦合,拓展全量子化模型,运用相干态展开法试图得到系统的基态解以及一些可能的物理量。本论文具体的研究内容和基本结果如下:
1.有机导电高分子的特点和性质。
对有机功能材料中的有机半导体的特点,及其光、电、磁性质做了进一步阐述,介绍了其在多个领域的应用和研究进展。本章还简单介绍了目前对有机导电高分子性质的研究所采用典型代表模型。
2.声子及声子模型。
声子和电子-声子相互作用的定义,主要介绍了两类电子-声子相互作用:电子与声学声子的相互作用;电子与光学声子的相互作用,以及目前三种比较常见的声子模型。
3.导电高分子的非线性薛定谔方程。
从有机导电高分子的实际情况出发,考虑了两种量子化的电子-声子相互作用,运用相干态展开法,得到在全量子化电子-声子耦合情况下的系统所满足的非线性薛定谔方程和晶格位移的表达式。
4.不同电子-声子相互作用下材料的基态特性。
对材料电子-声子相互作用的研究主要有两种:局域电声耦合和非局域电声耦合。如果根据材料的两种实际结构,考虑两种耦合的重要性。对于导电高分子,非局域电声耦合比较重要;对于DNA分子来说,局域电声耦合占主要地位。而相比于有机物,刚性半导体的两种电声耦合都可以忽略。本文薛定谔方程出发,研究了不同电声耦合对有机导电高分子的性质的影响。