共轭聚合物分子的电子输运性质

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目前,在有机共轭聚合物中,电声相互作用对电子输运性质的影响仍是一个重要的研究课题。在较低偏压范围,随着分子长度增加,有些共轭聚合物分子的电子输运机制从coherent nonresonant tunneling向incoherent thermally activated hopping转变;当偏压足够大,传导电子与分子能级发生共振时,共轭聚合物分子具有丰富的电子输运现象。本文将以反式聚乙炔分子为例研究一类简单柔性共轭聚合物分子的电子输运性质。  反式聚乙炔分子采用Su-Schrieffer-Heeger(SSH)哈密顿模型描述,源极和漏极采用无相互作用电子库模型描述。由密度算符的Liouville运动方程和hierarchical equations ofmotion(HEOM)方法得到求解分子部分电子密度矩阵的方程组,结合分子的晶格运动方程和泊松方程,从而实现对反式聚乙炔分子导电过程的含时模拟。本文分析了晶格振动、电势分布以及栅极电压对反式聚乙炔分子电子输运性质的影响。关于电势分布,考虑了两种情况:电极分子之间为非欧姆接触,使电势完全降落在分子电极界面上,而分子内没有电势起伏;电极分子之间为欧姆接触,使电势降落在分子上,并且随着分子上的电子分布变化。  本文重点研究了没有栅极电压时反式聚乙炔分子的电子输运性质,此时π能带中心位于偏压窗中心。  在反式聚乙炔分子中,电子或空穴与其引起的晶格畸变耦合形成孤子。当反式聚乙炔分子处于较好的导电状态时,形成的孤子与孤子之间倾向于连接起来,这使得孤子束缚态之间相互交叠组成更离域的电子态,从而使分子具有较大的电导。电子和空穴在分子基态中激发孤子的临界偏压(导通偏压)大于孤子全部湮灭使分子恢复基态的临界偏压,而且在小于导通偏压的偏压范围,分子含有孤子时的电导比分子基态的电导大,所以反式聚乙炔分子具有了电导双稳态性质。  当反式聚乙炔分子通过孤子电子态导电时,晶格振动引起电流振荡,并且不利于导电。在非欧姆接触条件下,晶格振动大小与偏压改变时引起的晶格改变大小成正相关,所以,不同的初态得到的同一偏压下的电导有差异;在欧姆接触条件下,由于格点受到电场力作用,晶格振动会丢失对初始晶格变化的记忆,所以选择不同初态引起的电导差异比较小。  在欧姆接触条件下,分子上的电势降落会引起导带和价带中的电子态和分子中的孤子电子态的局域,局域的电子态与源极和漏极的耦合不对称,甚至与一端电极的耦合减小至零,因此偏压窗内电子态的局域有两个效果,其一不利于导电,其二是引起电子占据数较大地偏离半满占据。  本文发现两个因素不利于孤子电子态导电,其一是分子的晶格振动,其二是分子上的电势降落,这两个因素的强弱正相关。在欧姆接触条件下,由于格点受到电场力作用,晶格振动情况主要依赖于偏压大小以及分子能级与电极费米面的相对位置。有的偏压下晶格振动比较微弱,但是稍增大偏压就会导致晶格振动明显增大,从而发生负微分电阻现象。  本文也讨论了栅极电压对反式聚乙炔分子电子输运性质的影响。通过调节栅极电压,可以使得反式聚乙炔分子π能带的中心偏离偏压窗中心,此偏离达到一定程度时,荷电的孤子将周期地在分子的一端激发运动到另一端湮灭,从而形成脉冲式电流。
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