【摘 要】
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电极/分子器件/电极是许多纳米电子器件的基本结构,是分子电子学中很重要的研究对象。在这种结构中发生的是非平衡过程,近年来以非平衡格林函数为代表的方法对其进行了广泛的理论研究,得到了丰硕的成果。其中分子器件是有机分子的情况,即电极/有机分子器件/电极,是近年来兴起的有机分子电子学一个重要研究对象。普通的有机分子一般是绝缘体,通过隧穿的机制导电,而共轭有机分子则可能变成导体,其中有着与众不同的导电机制
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电极/分子器件/电极是许多纳米电子器件的基本结构,是分子电子学中很重要的研究对象。在这种结构中发生的是非平衡过程,近年来以非平衡格林函数为代表的方法对其进行了广泛的理论研究,得到了丰硕的成果。其中分子器件是有机分子的情况,即电极/有机分子器件/电极,是近年来兴起的有机分子电子学一个重要研究对象。普通的有机分子一般是绝缘体,通过隧穿的机制导电,而共轭有机分子则可能变成导体,其中有着与众不同的导电机制,表现出独特的电学性质,所以弄清楚电极/共轭有机分子/电极中的导电机制非常重要,对今后设计有机器件有很大的帮助。我们知道,在共轭聚合物中,掺杂的电子和空穴可以使晶格形变,形成自陷的元激发,如孤子、极化子及双极化子等局域元激发。过去人们一直致力于研究平衡态中电场作用下极化子动力学,认为电场是电荷传输的必要条件。电子或空穴从电极注入,在弱电场中会形成极化子,极化子在相对较小的电场下以恒定速度运动,但是足够大的电场会使极化子分解。人们自然地设想,在电极/共轭有机分子/电极这种结构中局域元激发如孤子、极化子等起着与平衡情况下相同的作用,主导着电荷输运。我们考虑到了这种假设的可能存在的不合理之处,并分析了对以前的研究,发现这方面的研究还不完善和完整,特别是缺乏电荷注入和输运过程的研究。为了完善这方面的研究,我们采用了含时的计算方法,具体而言,我们基于含时非平衡格林函数(TDNEGF)公式的一种有效计算方法——级联运动方程(HEOM)结合耦合电极的SSH模型,对晶格和电荷动力学进行数值计算,从而发现孤子晶格波在非平衡情况下起着非常关键的作用。电极上的偏压会在聚合物链的两端激发瞬态的孤子晶格波,它们带相反的电荷并相向传播,相遇后会发生合并。如果偏压对称,合并后形成的是静态的孤子晶格,这些孤子晶格与作为平衡态时的孤子晶格是一样的(除了边界外)。平衡时的孤子晶格是一种特殊的激子态,是原来二聚化的聚合物的价带顶中的电子以每条能级一个激发到同样条数的导带底中,然后发生弛豫而形成的。在非平衡态中,对于对称的偏压的情况,能域中的发生过程与这一致,在左右电极中的偏压分别处在价带顶和导带底中,偏压处在价带顶的电极充当漏极的作用,从偏压以上的价带顶部分吸收电子(每条能级一个);偏压处在导带底的电极充当源极的作用,从偏压以下的导带顶部分注入电子(每条能级一个),这些半填充的能带在晶格弛豫作用下在原来二聚化能隙的中央形成半满填充的孤子晶格能级(带)。根据我们的计算,这些孤子晶格能级的透射率为1,它们起着提供导电通道的作用,也就是说此时流过聚合物链的电流完全是透射电流。如果偏压不对称,瞬态孤子晶格波合并后电荷和动量不能完全中和,最后会形成向偏压绝对值小的一方运动的稳态的孤子晶格波,这些孤子晶格波带有电荷,以电荷密度波的形式伴随着孤子晶格波的运动。这样运动着的电荷密度波会导致有效的电流,只有在左右偏压绝对值差距非常大时,这个有效电流才比较重要(和透射电流相比)。在(瞬态)孤子晶格(波)的形成过程中,有着临界状态——半孤子态,仅当偏压超过半孤子态的能级时,其会形成并自动演化成孤子晶格(波)。如果存在链间耦合的情形,除了原来链中的孤子晶格外,会在另一条链中也激发出孤子晶格,其导电的基本原理与单链的情况类似,也是这两条链中的孤子晶格提供导电的通道,但特定耦合下的共振可能导致透射率峰值急剧下降,而且孤子晶格能级可能不再位于透射率峰值,导致导电通道的效果减小。为了验证非平衡数值计算结果确实可以被称为孤子晶格波,以及其和平衡态中的孤子晶格态的关系,我们对SSH模型的连续近似——TLM模型结合非平衡格林函数进行了解析的推导。我们利用格林函数和本征波函数的关系(格林函数的定义),把非平衡中的晶格形变表示成平衡态中的本征波函数的形式。对于原来二聚化能隙中的解,只有其是非局域的孤子晶格态时,格林函数的边界条件才能得到满足。从解析结果分析,一方面,在能域中非平衡孤子晶格波可以看成是由左右电极引起的类电子(带负电)和类空穴(带正电)的两个孤子晶格的合并;另一方面,在能域中的非平衡孤子晶格可以看作由左右两端线宽函数(取决于左右电极与聚合物链的耦合和左右电极的态密度)调制的等效电子费米分布函数的平衡态的孤子晶格。左右两端的电压控制着左右孤子晶格带的宽度,如果它们不相等,即左右偏压不对称的情况,合并就发生在宽度较小的一方范围内,最后形成夹层结构的孤子晶格能带。
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