金屬-聚合物-金屬三明治結(jié)構(gòu)中載流子注入與輸運的動力學(xué)研究.pdf

1、1977年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過摻雜反式聚乙炔的電導(dǎo)率會急劇提高，可增加幾個甚至十幾個數(shù)量級，變成良導(dǎo)體。自此，對導(dǎo)電共軛聚合物的研究便引起了理論和實驗工作者的極大興趣。作為一種新型的功能材料，有機(jī)共軛聚合物既具有金屬和半導(dǎo)體的電予特性，又具有聚合物的易加工、柔韌性好、價格低等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點。經(jīng)過二十余年的發(fā)展，許多基于有機(jī)聚合物的光電了器件已經(jīng)成功制備，如有機(jī)發(fā)光二極管和光伏電池。這些器件的工作原理一般都是基于電荷注入、電荷傳

2、輸以及電子-空穴對復(fù)合這些物理過程。由于有機(jī)材料中強(qiáng)的電子-聲予相互作用，電子態(tài)和晶格態(tài)兩者相互影響。電荷的注入或光激發(fā)會誘導(dǎo)晶格發(fā)生畸變，因此，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、雙極化子、激子或雙激子。 20世紀(jì)70年代，Su，Schrieffer和Heeger創(chuàng)立了Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型，用半經(jīng)驗的緊束縛方法研究了有機(jī)共軛聚合物-聚乙炔的電子結(jié)構(gòu)和光

3、學(xué)性質(zhì)，取得了巨大的成功。此后，Bishop，Sun，Conwell，Xie等人對SSH哈密頓進(jìn)行了修正，研究了各種元激發(fā)及它們的某些動力學(xué)過程。Wu等人利用非絕熱的分子動力學(xué)方法研究了金屬/聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中極化予形成的動力學(xué)過程。Yan等人模擬了金屬/聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中雙極化了形成的動力學(xué)過程。Fu等人研究了金屬/有機(jī)聚合物結(jié)構(gòu)中電荷的注入與輸運。這些工作的進(jìn)一步開展，不但有助于對導(dǎo)電聚合物微觀物理世界的認(rèn)識，更具有重要

4、的應(yīng)用價值，能夠推動新型有機(jī)聚合物分了器件的研究和開發(fā)。 本論文基于緊束縛的Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型，對哈密頓進(jìn)行了修正，利用非絕熱的分了動力學(xué)方法，模擬了金屬/摻雜聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中和金屬/耦合聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中電荷的注入與輸運。同時研究了金屬/聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中電子和空穴注入與輸運的動力學(xué)過程。本論文具體的研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下： 1.金屬/摻雜聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中

5、電荷的注入與輸運眾所周知，實際的樣品中是有缺陷的，這些缺陷可能來自于交叉耦合、復(fù)雜的形態(tài)學(xué)缺陷或者外來的雜質(zhì)，而且電荷的注入與注出也是實際應(yīng)用過程中所需要考慮的。因此研究金屬/摻雜聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中電荷注入與輸運的動力學(xué)過程是有必要而且有意義的。研究發(fā)現(xiàn)摻雜離子對注入到聚合物中的載流子的作用類似一個控制閥門，閥門的狀態(tài)與電場的強(qiáng)度和偏壓的大小密切相關(guān)?？刂破珘翰蛔儯?dāng)外電場比較弱時，閥門處于關(guān)的狀態(tài)，電荷不能通過摻雜離子；當(dāng)外電場

6、比較強(qiáng)時，閥門處于打開的狀態(tài)，電荷幾乎全能通過摻雜離子，并且通過的大部分電荷還能克服右邊的界面勢而進(jìn)入右邊的金屬電極?？刂齐妶霾蛔儯珘罕容^大時，閥門處于半關(guān)閉狀態(tài)，一部分注入的電荷由于具有較大的初始能，可以越過摻雜離子，繼續(xù)沿著鏈運動。 2.金屬/耦合聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中電荷的注入與輸運在實際的有機(jī)材料中，分予鏈的長度是有限的，因此研究鏈間載流子的輸運是重要的而且有意義的。并且鏈間耦合作用對于有機(jī)聚合物的電導(dǎo)率以及其它的電

7、特性起著非常重要的作用，目前越來越多的實驗也顯示必須考慮高聚物的鏈間耦合作用。由此我們研究了金屬/耦合聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中電荷的注入與輸運。 研究發(fā)現(xiàn)電荷的鏈間輸運不僅與驅(qū)動電場有關(guān)而且還與所加偏壓有關(guān)。電場越強(qiáng)，偏壓越大，越容易實現(xiàn)電荷的鏈間輸運。因此，為了提高金屬/耦合聚合物/金屬二明治結(jié)構(gòu)中電荷輸運的效率，我們需要增加驅(qū)動電場的強(qiáng)度和偏壓的大小。并且我們發(fā)現(xiàn)鏈間耦合部分對載流了的作用就像是一個切割器，它可以把一個波包分

8、割成兩部分，通過波包可以再分割也證明了電荷是以幾率波的形式傳輸?shù)摹?3.金屬/聚合物/金屬三明治結(jié)構(gòu)中電子和空穴的注入與輸運前人的研究大多關(guān)注的是電了的注入與輸運。然而，在有機(jī)發(fā)光二極管(organic light-emitting diodes，OLED)中，電子和空穴分別從兩邊的金屬電極同時注入到有機(jī)聚合物中并在電場的作用下運動、相遇、湮滅而發(fā)光。因此，研究帶相反電荷載流了注入與輸運的動力學(xué)過程對于理解OLED發(fā)光的微觀機(jī)制