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随着对有机共轭聚合物中各种元激发(极化子、激子、双极化子等复合粒子)的形成过程和动力学性质的深入研究,人们对非线性元激发在有机功能器件(场效应晶体管(FET)、发光二极管(LED)、光生伏打电池)中的物理规律有了比较深入的理解。其中,人们对极化子动力学性质的研究已经做了大量的工作,包括电场强度对极化子稳定性的影响,链间耦合对极化子传输的影响,以及杂质离子、载流子碰撞对极化子动力学性质的影响,等等。这些研究都是基于晶格二聚化的基础,即没有考虑晶格热振动对体系的影响,而事实上,晶格振动是存在的并且会影响载流子的稳定性。本文基于紧束缚近似的SSH模型,利用非绝热分子动力学方法,研究了导电聚合物中极化子动力学的温度效应,为实际工作提供了一些理论依据。内容如下:
1、温度对聚乙炔中极化子动力学性质的影响:(1)从极化子稳定情况来看,由于温度效应破坏了体系的对称性,电子可以获得能量跳到更高能级,使得初始完好的极化子变得扩展,形成多个弱局域的极化子态,这些弱极化子态的几率分布与温度有密切关系。温度越高,弱极化子态的几率分布越趋于平均;(2)研究发现体系达到热平衡状态所需的时间与物质本身的粘滞系数有关。在物理意义允许的范围内,粘滞系数越大,体系达到热平衡状态所需的时间越短;(3)达到热平衡状态后,体系的电子和晶格一直进行着能量转化。低温情况时,电子能量容易传递给晶格,体系能量缓慢降低;高温情况时,晶格能量容易传递给电子,体系能量缓慢升高。
2、温度对共轭聚合物中光激发动力学过程的影响:(1)首先研究从价带最高能级(HOMO)到导带最低能级(LUMO)的光激发动力学过程,发现温度效应不仅会影响极化子激子态的产率,还会影响聚合物的发光频率。温度越高,极化子激子态的稳定性越差,其产生几率越低;温度越高,局域能级越扩展,极化子激子的发光频率越高;(2)通过对HOMO-1能级到LUMO+1能级光激发动力学过程的计算,发现温度效应会影响正负极化子对的寿命。温度越高,载流子无规则运动越剧烈,其波函数交叠几率越大,正负极化子对的寿命越短,同时提高了极化子激子的生成几率。又由于温度效应会减弱极化子激子的稳定性,从而降低其生成几率。综上所述,HOMO-1能级到LUMO+1能级光激发驰豫过程中的极化子激子的生成几率随温度的升高是先增大后减小的。(3)同样的方法模拟计算了更高能级(HOMO-2到LUMO+2、HOMO-3到LUMO+3)光激发过程中极化子激子的生成几率随温度的变化情况。发现,更高奇数能级之间的光激发其极化子激子的生成几率随着温度的升高是先增大后减小的,温度为OK时(几率是100%)除外;更高偶数能级之间的光激发其极化子激子的生成几率随着温度的升高也是先增大后减小,包含温度为OK时(几率是50%)。