有机半导体作为一种新型的功能材料，人们已经逐渐认识到舻富的功能特性。从小分子到高分子，其电磁光等特性越来越明显。对具有准一维特征的导电聚合物的结构和物性，特别是它的电特性，可以说已经有了一个比较准确的理解，无论从量化还是物理建模出发，都得到了与实验基本一致的理论结果。有机发光二极管(OLEDs)是有机分子材料的二个重要应用，目前以小分子合成的发光器件已经实用化，高分子有机发光二极管也达到实用标准。另一方面，聚合物是软凝聚态物质的典型代表，也是理解有机体、生物物质的基础。有机分子电子学、DNA分子电子学等都引起了人们的关注和研究。单个分子开关和分子导线已经研制成功，由此可设计分子尺度的电子逻辑计算。DNA分子处于动力学无形态，具有宽带隙的非晶半导体特征。所有这些工作都揭示出有机材料存在丰富的物理功能特性，同时也表明对有机材料的研究必须综合物理、化学甚至生物学的各种手段。 随着巨磁电阻((GMR)现象的发现，磁电子学或自旋电子学已成为凝聚态物理或微电子学中一个快速增长的领域。电子自旋注入和自旋相关输运是当前感兴趣和被广泛研究的课题。自旋注入包括从铁磁金属到超导体、铁磁金属到导体、铁磁金属到非磁性半导体以及磁性半导体到非磁性半导体，或这些构型的复合。有机半导体由于其弱的自旋一轨道耦合和超精细相互作用，相应的自旋扩散长度比较长，因而是实现自旋极化输运理想的候选材料。研究有机半导体内的自旋注入和输运对进一步理解有机材料的物理性质，探讨其在自旋电子学及生命系统中的功能和应用具有重要的科学意义。虽然有机功能材料的很多表观性质与无机半导体类似，但是有机材料也有它的特殊性，如具有结构上的“软”性，低维性等。自旋注入有机材料与通常的无机半导体材料相比，有着本质的不同，更重要的是注入电子(或空穴)不是以扩展态的形式存在，而是形成所谓的“自陷态”或“局域元激发”，如孤子，极化子或双极化子，它们具有不同的电荷一自旋关系，只有中性孤子和带单个电荷的极化子携带l／2自旋。当前关于极化子和双极化子的相对稳定性问题一直存有争议。选择极化子容易产生的材料和条件对于实现有机体内的自旋极化输运至关重要。 有机自旋电子学是一个崭新的课题，当前无论是理论上还是实验上，人们都展开了初步的研究。实验中采用半金属的庞磁电阻CMR材料Re<,l-x>Ak<,x>MnO<,3>作为极化电子给体，有机层采用六噻吩T<,6>(sexithienyl)或有机小分子Alq<,3>(8-hydroxy-quinoline aluminium)，研究发现了负磁电阻效应，表明有机体内存在自旋极化注入，其中的输运电流是自旋极化的。这项工作的开展将激发人们对有机自旋注入与输运的研究兴趣。当然，它对该领域未来的实验与理论研究也将会提供指导或参考。但是目前的实验研究只是初步揭示了有机材料内可以实现自旋注入与输运，“有机”的特点还没有具体地体现出来。与无机材料相比，有机材料易于大面积处理，具有大范围内可调的电性质。特别地，有机材料内由于电子—晶格相互作用强，其载流子不再是通常的电子或空穴，而是前面所描述的一些带电自陷态。并且当前Xie等人理论研究的工作也只是从静态的图像根据能量最优化得出的结果，实际上电场下载流子的传输为—非平衡的过程。 本论文中我们针对“铁磁／有机”系统，在一维紧束缚SSH模型和BK模型的基础上，深入到材料的微观结构，进一步研究了影响自旋极化注入有机体的各种因素，具体给出了“铁磁／有机”基态的基本微观特征。同时我们还建立了“铁磁／有机”系统的量子动力学模型，通过非绝热动力学的方法，研究了有机共轭聚合物中的电荷、自旋注入和动态输运特性。自旋由于受到自旋—轨道耦合等自旋相关散射的影响，在输运过程中为一非守恒量，这也是它不同于电荷输运的地方。本论文具体的研究内容和基本结果如下： 1．一维铁磁／有机共轭聚合物系统中的自旋极化 基于当前自旋极化注入有机材料的实验研究，我们针对“铁磁／T<,6>”系统研究了界面耦合、聚合物电子—声子耦合强度、铁磁层极化率等对自旋极化注入深度、聚合物内的极化率等的影响，具体的给出了“铁磁／有机”系统基态的基本微观特征，这对于进一步理解自旋极化注入有机材料的物理特性有着十分重要的指导意义。为了解自旋极化注入有机材料的物理图像，我们还对磁性层分别为—个磁原子、两个磁原子以及—维磁原子链三种情况一一作了探讨。 1.1磁性层中的自旋劈裂强度对自旋极化注入有机体有着决定性的影响。随着铁磁原子自旋劈裂强度的增加，磁性层中自旋能级重叠的程度越来越小，最终导致有机层内自旋的正向和反向极化相互转变。当自旋劈裂达到一定程度，磁性层具有半金属的特性，此时有机层内的自旋极化达到最大值。 1．2聚合物中电子一声子耦合强度导致了其内部键的长短交错(二聚化)。随着电子一声子耦合强度的增强，有机材料的带隙增加，因此有机层内电子的自旋极化相应的减小。 1．3 “铁磁／有机”系统中的界面耦合可以是自旋相关的。随着界面耦合的增强，注入到有机层内的自旋极化增加。 2．一维铁磁／有机共轭聚合物／铁磁夹层交换耦合研究 夹层交换耦合现象一直是自旋电子学中感兴趣的课题。金属、无机半导体以及绝缘体作为夹层的交换耦合现象，早已引起了很多理论工作者和实验工作者的兴趣。目前有机器件中自旋相关的效应虽然有一些实验报道，但对于有机异质节中的诸如自旋耦合，自旋注入以及自旋传输理论上却没有太多的研究。基于自旋电子学在有机材料中的迅猛发展，我们研究了半金属Re<,1-x>AK<,x>MnO<,3>／有机／Re<,1-x>Ak<,x>MnO<,3>系统中的夹层交换耦合振荡现象，同时还和无机半导体作为夹层的情况进行了比较。 2．1同无机半导体作为夹层的情况类似，交换耦合强度随夹层的厚度在正负之间振荡且呈指数规律衰减，振荡周期为体系晶格常数的4倍。这意味着两磁性层之间的磁矩随着夹层厚度的改变可以是平行排列，也可以是反平行排列，也就是说磁性层之间的耦合可以是铁磁耦合，也可以是反铁磁耦合。 2．2有机材料由于它自身“软”的特性，晶格在界面处明显偏离了原来的平衡位置，能更“柔和”地吸附在磁性层的表面。它可以通过结构的再构和接触层形成一个比较稳定的界面。 2．3同样的夹层厚度，有机材料作为夹层的耦合强度要强于无机半导体的情况。随着界面耦合的增强，这种差别会变的更加明显。 3．一维铁磁／有机共轭聚合物系统中的极化子和双极化子 目前用在发光和自旋器件中的有机材料都是基态非简并的聚合物或齐聚物，其中的载流子为极化子或双极化子。从携带的自旋信息来看，极化子带有1／2自旋，而双极化子没有自旋，因此二者的相对稳定性是有机材料中自旋极化注入和输运的关键问题。当前的一些研究发现带有两个电荷的双极化子在能量上优先于两个单极化子对的形成，这不利于自旋极化注入有机体。为此，我们针对半金属Re<,1-x>AK<,x>MnO<,3>／聚噻吩(polythiophene)系统，考虑到磁性层的影响，通过静态的图像详细分析了极化子比双极化子优先产生的条件，这对实现有机共轭聚合物中的自旋极化输运是非常有意义的。 3．1通过有机材料和磁性材料的耦合，体系能级的自旋简并消除，可以使双极化子中一个电子自旋取向反转，进而形成两个稳定的单极化子态。 3．2极化子和双极化子都可以稳定存在，这与磁性层自旋劈裂强度以及两层材料之间的链间耦合强度有关。强的自旋劈裂、链间耦合以及电子之间的库仑排斥作用都有利于一个双极化子向两个单极化子的转变。 3．3在实际的有机材料中，由于热扰动或键缺陷，系统并不处于其稳定的位形。体系中即使存在晶格的缺陷，两个单极化子也可以比一个双极化子优先产生。 4．电荷和自旋注入有机共轭聚合物动态特性研究 前面我们通过静态的图像研究了极化子和双极化子的相对稳定性问题，而实际上电场下载流子的传输为一非平衡的过程。目前很多人已对极化子在电场下的运动做了很多工作。为此，我们采用非绝热动力学方法研究了一维(铁磁)金属／聚合物系统中的电荷、自旋注入及其动态输运特性，这对于理解有机放光二极管以及有机自旋阀的电荷转移或自旋输运性质有着重要的作用。 4．1发现电荷的注入是量子的几率波，该波在有机层内以波包的形式存在，每个波包内所包含的电荷数可以是0～2e的任意值，即波包的电荷数可以是分数，这是由于有机层本身是一个开放系统的缘故。 4．2不考虑任何自旋极化，波包这个“准粒子”虽然带电，但并不携带自旋。特别地，当波包带一个电荷时，虽然晶格缺陷也呈现极化子特征，但这个波包“极化子”的自旋为零。若对其自旋进行测试，就会引入自旋相关的相互作用，从而导致自旋能级劈裂，也就可以得到自旋极化子了。当波包带两个电荷时，对应的波包即为通常意义上的双极化子。 4.3特别的，对半金属Rel<,1-X>Ak<,X>MnO<,3>／聚合物系统，注入电荷在有机层中形成的波包是完全自旋极化的，并且由于CMR电极中只有一种自旋取向的电子参与导电，其中的一个空间电子态最多只能被一个电子占据，系统中每个波包所容纳的电荷数不超过一个电子。