共轭聚合物链间相互作用对极化子与激子碰撞的影响

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有机共轭聚合物是近年来新兴的一种功能性材料,这种材料具有以下特点:容易加工成型、价格比较低廉、柔软易伸展等等。同时,它的电子性质又表现出了金属导电性和半导体特性。有机共轭聚合物在应用上有着良好的前景,比如用有机材料制作的有机发光二极管(OLEDs)以及场效应管等电子器件都具有非常好的发光效率,这都使得有机材料成为近年来的研究热点。   与传统的无机材料相比,有机共轭聚合物中电子跟品格之间的耦合作用非常强,以至于当掺杂入电子或被光照激发后,其材料的晶格会有一定的畸变,这是由于材料中的激发的电子态影响了晶格结构,反过来畸变了的晶格结构也会将该激发的电子态束缚在周围。因此形成了一些由于电子跟晶格的相互作用而产生的自陷束缚态,比如正孤子、反孤子、正负极化子以及正负双极化子等等。它们可以携带电荷,从而作为载流子在聚合物材料中进行传输,取代了传统意义上的电子和空穴载流子。当然,聚合物材料中产生的元激发不止这些携带电荷的,还有一些中性束缚态,比如激子和双激子等等。这些带电荷以及中性的元激发态成为有机共轭聚合物中的准粒子体系。这些准粒子在聚合物链中具有丰富的物理过程,比如对于它们的形成、激发、碰撞、弛豫等过程,人们都进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。近几年来,随着太阳能能源利用、光伏器件开发以及液晶显示技术的发展,人们开始探讨研究聚合物材料光电转换机制与效率等问题,并且逐渐认识到极化子电子态的跃迁过程成为光-电转换机制的关键因素之一,而极化子与其他载流子(比如激子)的碰撞则成为极化子电子跃迁的诱因之一。研究清楚该碰撞过程以及如何调控产物的产率对于提高有机光电转换器件的工作效率具有重要意义。   计算结果表明,链间耦合强度对极化子激发态等有效产物的产率大小有主要影响,同时电场强度起到一定的调控作用。当链间耦合很小时,分处两条链上的极化子与激子在运动过程中相互影响很小,基本无碰撞痕迹;随着耦合值t⊥的增大,分处两条链中的极化子与激子的局域度逐渐减少,同时在另一条链上的局域度逐渐增加。当耦合值继续增大,极化子与激子在两条链上的局域度将先后达到一样,即平均扩展到两条链上,两个t⊥临界点分别是0.10eV和0.24eV。在0<t⊥<0.10eV时,极化子从最初的局域态逐渐扩展在两条链上,激子始终局域在初始链上,极化子与激子碰撞后基本保持初始态,碰撞产物的产率较低;在0.10eV<t⊥<0.24eV时,极化子已经平均扩展在两条链上,激子开始出现扩展态,极化子与激子的碰撞程度较为剧烈,激发态极化子等有效产物的产率随着激子的扩展程度有一个质的提高;在t⊥>0.24eV时,极化子与激子都平均扩展在两条链上,极化子与激子的碰撞过程相当剧烈,激发态极化子等有效产物的产率基本稳定在25%左右的最大值。
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