有机聚合物异质结中电荷转移态的理论研究

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作为一种新型的功能材料，有机半导体一直是物理、化学和材料科学等领域和交叉学科的研究热点。它具有π共轭结构和优良的载流子传输性能，因而具有丰富的电磁光特性。易加工和独特的力学性质使得有机材料比金属或晶体半导体要容易加工得多，在低温下加工电子材料的可能性给廉价加工带来了希望。在过去的几十年里，人们利用有机半导体材料研制了各种光电器件，如有机太阳能电池、有机发光二级管和有机场效应晶体管等。这一领域需要物理、化学、高分子科学、流体力学、电气与电子工程以及光学等广泛的跨学科的知识。有机发光二级管、有机太阳能电池、有机晶体管、有机光探测器以及有机生物传感器等已经开始进入市场。
　　过去的几十年里，给体—受体聚合物异质结已经被广泛的应用在了有机光伏电池和有机发光二级管中。对于这样的系统，一个独特的性质就是一种聚合物（给体型）的最高占据分子轨道(HOMO)和最低占据分子轨道(LUMO)在能量上都分别比另一种聚合物（受体型）中的相应能级要高。在给体—受体聚合物异质结中，光激发可以使得给体HOMO上的电子跃迁到受体LUMO上，这样，受体分子上的电子和给体分子上的空穴因为库伦吸引束缚在一起，形成电荷转移态(charge-transfer state,CT)。
　　本论文中我们在一维紧束缚SSH模型基础上对哈密顿量进行了修正，从理论上研究了给体—受体聚合物异质结中的电荷转移态。具体的研究内容和基本结果如下:
　　聚合物异质结中的一个关键参数就是能阶，大的能阶能够提高电荷转移态的解离几率，或者抑制电荷转移态到激子的再复合，但是过大就会降低光伏电池的开路电压限制发光效率。之前Bittner等人对于电荷转移（或激子解离）对于能阶依赖的理论研究表明电荷转移态的解离需要能阶大于激子的束缚能。聚合物的链间耦合在电荷转移或者激子解离这一过程中也是很重要的参数。早期研究发现，大的链间耦合将很大程度上降低激子的束缚能。
　　我们构建的异质结体系包含两条平行的聚合物分子链，通过抬高一条链的在位能使得两条链的相应能级之间形成能阶。我们考虑两条分子链之间通过直接转移形成电荷转移态这样的静态过程。我们比较了激子和电荷转移态的静态图像，随后计算了激子和电荷转移态的产生能和束缚能，通过这些我们在静态图像里分析电荷转移态的稳定性。链间的电荷转移是依赖于能阶和链间耦合的，这对于电荷转移态的研究也是很重要的。通过讨论，我们的目标是对于在不同给体—受体聚合物异质结应用中选择最优的能阶和链间耦合给出指导。
　　本论文中的结论都比较直观和浅显的用图像表现了出来。激子是存在于一条链上的，在一条链上会有晶格畸变，两条链上都没有静电荷分布;电荷转移态是两条链上的正负极化子的耦合态，在两条链上都有晶格畸变，两条链上也都有静电荷分布。电荷转移态的产生能是随能阶减小而减小的，而激子的产生能是不变的，但是激子态在能阶大于临界值时就不会存在了。电荷转移态的束缚能随能阶降低也会减小，直到小于室温热能，束缚能降到室温热能之下意味着室温下的热涨落对于电荷转移态解离成光电流是足够的。链间的电荷转移量随着能阶的增加而增加，并且最终饱和到一个电子电量，随着链间耦合的增加而减小。这显示出，随着能阶的增加，电荷转移态的电荷分离程度会更彻底更接近自由载流子，而小的链间耦合也有利于这一过程。对于激子和电荷转移态能级的定量计算得出了电荷转移态再复合到激子的临界能阶，能阶大于临界值时，电荷转移态才不会再复合到激子。

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作者
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作者单位

山东大学;

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授予单位山东大学;
学科凝聚态物理
授予学位硕士
导师姓名解士杰;
年度 2014
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 P-N结;
关键词
电荷转移态; 有机聚合物异质结; 电磁光特性; 有机半导体;

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