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共轭聚合物是一种新型的功能材料,既有金属和半导体的电子特性,又有聚合物的易加工、柔韧、价格低廉等特点,因而成为近年来的研究热点。近20年来,许多基于共轭聚合物的光电器件已经从单纯的实验兴趣转变为新兴的实用技术。目前,人们已经研制出各种各样的有机光电了器件,如有机发光二极管(OLED)、场效应管、光伏电池等。
由于存在强的电子-声子耦合作用,聚合物中的载流子不再是传统无机半导体中的电子和空穴,而是孤子、极化子和双极化子等由电荷和品格耦合在一起的自陷态,除此之外,还存在激子、双激子等非线性元激发,这些准粒子在聚合物中的运动具有丰富的物理过程。对于单个孤子、极化子和双极化子在聚合物链中的运动人们已经进行了大量的研究,取得了一系列研究成果。对于带相反电荷的正、负极化子相遇时相互俘获形成激子的过程,人们更是给予了极大的关注,发展了一系列方法去进行理论和实验的研究。
以共轭聚合物为基的有机发光二极管(OLED)、场效应管、光伏电池等的电、磁、光的性质,由各种非线性元激发,如孤子、极化子、双极化子以及激子和双激子等在外场作用下的输运、散射与复合决定,因此,研究孤子、极化子、双极化子以及激子和双激子等的输运,进而研究极化子和激子、双极化子和激子、极化子和双极化子的之间的散射复合等过程显得尤为重要,但是目前人们对这些过程的研究还非常少。因此,我们希望通过着重研究这些元激发间的散射、复合过程,弄清楚这些过程中体系的电子态如何演化,它们散射、复合后的产物是什么,以及这些产物对聚合物的输运、发光等性质有何影响。
分子动力学方法已经被广泛用来研究聚合物中载流子的输运和正、负极化子的散射、复合等过程,并证明是一种非常有效的方法。本文我们在紧束缚近似的基础上,采用非绝热的分子动力学方法,通过建立合适的模型,分别模拟了双极化子和激子、极化子和激子以及极化子和双极化子的散射过程,得到了一些有意义的结果。
1.双极化子和激子的散射复合过程
通过对Su-Schrieffer-Fteeger(SSH)模型哈密顿进行修正,使其包括电场作用项,利用非绝热的分子动力学方法,我们模拟一个带负电的双极化子和一个激子的散射过程。结果表明,当双极化子和激子相遇时,主要有两个反应通道:(1)双极化子把一个电子转移给激子,结果是激子转变成激发念的极化子,同时双极化予变为极化子；(2)双极化子把携带的全部电荷转移给激子,结果激子转变成双极化子,而双极化子变为激子。我们通过把体系的演化波函数投影到本征波函数上的方法计算了这两个通道的几率,发现小电场下,第一个通道的几率大约为50％,第二个通道大约为25％。较强电场下,第一个通道的几率大约为60％,第二个通道大约为20％。
双极化子和激子复合可以形成一个极化子和一个激发态的极化子是我们本工作的一个重要发现。而激发态的极化子是可以通过辐射跃迁回到基态的,这表明双极化子和激子的散射过程对聚合物的发光效率会产生一定影响。
2.带相反电荷的极化子和双极化子的散射复合过程
基于SSH哈密顿,同时考虑了电场和电子-电子相互作用对SSH哈密顿的修正,采用非绝热的分子动力学方法模拟一条聚合物链中一个带负电的极化子和一个带正电的双极化子的散射过程。研究发现,当外电场小于某一临界电场时,极化子和双极化子的反应主要有三个通道:(1)极化子和双极化子之间不发生电荷转移,但它们复合形成一个较大的品格缺陷,称之为“荷电激子态”；(2)将通过电荷转移复合形成一个带正电的激发态的极化子；(3)束缚在极化子晶格缺陷中的电子被激发到导带形成自由电荷。当外电场大于临界电场时,极化子和双极化子将彼此穿越对方而不发生反应。
与双极化子和激子的散射过程相同,极化子和双极化子散射后的产物中也存在激发态极化子。同样,激发态的极化子可以通过释放一个光子回到基态,因此极化子和双极化子的散射也会对聚合物的发光效率产生影响。
3.极化子和三重态激子的散射过程
基于SSH哈密顿,同时考虑电场和电子-电子相互作用对SSH哈密顿的修正,采用非绝热的分子动力学方法模拟了极化子和三重态激子之间的散射过程。计算表明,极化子和三重态激子的散射过程与它们的自旋有很大关系:(1)当极化子和激子的自旋平行时,它们之间存在微弱的排斥力,但在外电场的作用下,极化子可以很容易的穿越激子；(2)若极化子和激子的自旋反平行,相比前一种情况,它们之间的排斥力很强。小电场下极化子碰到激了时被弹开。若电场较强,极化子也可以穿越激子,但是当电子-电子相互作用取得较强时,极化子将不能穿越激子,而是解离。分析表明,由于极化子的束缚能远比激子的束缚能小,所以在各种情况下,极化子均不能通过碰撞使激子解离。
综上所述,极化子很难和激子发生反应,这主要是由于极化子和激子的能级差较大有关。较大的能级差使得电子在它们之间的转移很困难,因此很难有新的准粒子生成。另外较大的能级差也说明它们之间的束缚能较大,这样就导致极化子在和激子的碰撞过程中总是先于激子解离。这些结果意味着在聚合物中三重态激子主要是与双极化子发生反应而不是极化子,这有待进一步的实验证实。
我们首次从理论上系统地研究了聚合物中极化子、双极化子和激子之间的散射过程,得出了一些有意义的研究成果。这些散射过程具有丰富的物理图像和物理内涵,其结果对理解聚合物的性质有重要意义,而且结果也表明这些散射过程对聚合物中的输运、发光等过程都有重要影响。我们期待今后对这一工作有进一步的研究。