有机导电聚合物是一种新型的功能材料，不但具有丰富的电学、光学和磁学性质，而且具有低成本、易加工、有柔性等特点。作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一，聚合物材料在能源、信息、传感器、光电子器件、分子器件，以及电磁屏蔽、金属防腐等技术上有着广泛的应用前景，因而成为近年来研究的热点。到目前为止，导电聚合物在分子设计、材料合成、掺杂机理、可溶性和加工性、电、光、磁等物理性能及技术应用上的探索都已取得重要的进展。经过三十多年的发展，许多基于聚合物的光电子器件已经从单纯的实验兴趣转变为新兴的实用技术。目前，人们已经研制出多种有机光电子器件，如有机发光二极管、有机场效应晶体管和有机光伏电池等。这些实验与技术上的飞速发展，一方面为开发、设计新型有机功能材料提供了强有力的实验基础，另一方面也给理论学家提出了亟待解决的问题。　　 有机光电子器件中涉及的载流子微观物理过程包括电荷的注入、输运和复合等行为，其中电荷输运对器件性能起着至关重要的作用，因此全面理解电荷输运性质具有十分重要的意义，一直是人们研究的重点。有机导电聚合物具有不同于传统半导体的特性，大多数聚合物分子具有准一维结构，因而存在很强的电子-声子(e-ph)相互作用，其载流子不再是传统的电子和空穴，而是孤子(soliton)、极化子(polaron)和双极化子(bipolaron)等由电荷和晶格耦合在一起的自陷态。由于这样的准粒子包括电荷和晶格畸变两部分，在外场作用下，电荷的运动必然拖拽着晶格畸变一起运动，因此包含了非常丰富的物理内容。理论上，用于描述有机导电聚合物最重要的模型是1979年由Su、Schrieffer和Heeger提出的SSH模型，用紧束缚方法研究了聚乙炔的电子结构和光学性质，并得到了满意的成果。后来，Bishop、Conwell、Stafstr(o)m、Sun等人对SSH模型进行了修正，成功研究了导电聚合物中载流子的动力学输运及其微观机制。　　 虽然人们已经对载流子的静态及其动力学性质进行了大量的研究，但是导电聚合物结构的多样性使得许多问题并没有清晰的物理图像，全面理解电荷输运机制仍然具有极大的挑战性。导电聚合物中较低的载流子迁移率是限制有机器件商业化应用的“瓶颈”之一，其主要原因是影响载流子输运的因素有很多，如温度、电场、压强、载流子密度、杂质、形貌、结构无序、多分散性、分子质量等。到目前为止，人们仅对其中一部分因素的影响机制持有一致的观点，如温度、电场、载流子密度等，而对于很多因素下的影响机制尚不十分清楚，且存在着较大的争议，如薄膜形貌、结构无序、规整度、多分散性等。如果能够解决这些问题将对导电聚合物的应用具有积极的指导意义。　　 本论文在一维SSH紧束缚模型基础上，对哈密顿进行了扩展，将链间耦合无序、对角无序和混合无序以简单、方便的方式引入到理论模型当中，采用非绝热动力学方法研究了无序效应存在时极化子输运的动力学性质，旨在说明聚合物材料中的形貌、结构无序等对电荷输运机制的影响。具体的研究内容和主要结论如下:　　 1.链间耦合无序对电荷输运的影响　　 聚合物薄膜的形貌、结构无序以及聚合度多分散性等是非常复杂的，有时根本没有规律可循。为了避免这种结构上的复杂性，许多理论工作将聚合物链间的耦合相互作用作为常数来处理，这样导致了理论模型有时不能完全描述实际系统的性质。我们知道，聚合物材料是一个无序的系统，结构无序性是不可避免的内部因素，以静态缺陷的形式存在于聚合物中，因此结构上的无序效应对电荷的输运性质起着非常重要的作用，如在3-己基聚噻吩(Poly(3-hexyl)thiophene，简称P3HT)材料中规整度效应非常明显。我们将一维SSH模型进行了扩展，将链间耦合相互作用看作为满足某种概率分布的随机数，从而在模型中引入了链间耦合无序(interchaincouplingdisorder)效应，研究了链间耦合无序对极化子动力学性质的影响。随机分布的形式有很多，这里采用了比较常用的高斯分布，高斯分布的均值表示链间相互作用的强度，高斯分布的标准偏差表示链间耦合的无序程度，这样可以非常方便地将无序效应引入到模型当中。　　 研究发现，极化子易于形成在链间跃迁积分比较强的格点处，强（弱）的链间耦合相互作用可以看作为势阱（垒），对极化子具有束缚（阻碍）作用。当极化子在链间耦合无序和电场共同存在下的环境中运动时，其动力学性质由电场和无序的链间耦合作用相互竞争的结果所决定。极化子动力学被划分为两类，弱耦合动力学(weak-couplingdynamics)和强耦合动力学（strong-couplingdynamics）。在弱耦合动力学中，链间耦合强度主导极化子的输运，而在强耦合动力学中，链间无序效应占主导。链间耦合越强，载流子的迁移率越高，链间无序效应并不总是阻碍极化子的运动，在一定的电场和耦合强度下，反而有利于极化子的输运。具体来讲，在弱耦合动力学中，当电场比较弱时，链间无序不利于极化子输运;当电场比较强时，无序效应有利于极化子输运;而在中等电场强度或链间耦合非常弱的情况下，无序效应可以忽略。在强耦合动力学中，当电场比较弱时，链间无序不利于极化子输运;当电场比较强时，无序效应可以忽略;在中等强度电场下，弱无序效应有利于极化子输运，强无序效应不利于极化子输运。　　 2.对角无序和混合无序对电荷输运的影响　　 无序大致分为两类，对角无序(diagonaldisorder)和非对角无序(off-diagonaldisorder)。对角无序反映的是单个分子或链段上格点能的涨落，非对角无序反映的是相邻分子之间或链段之间相互作用的涨落。在实际的聚合物材料中，环扭转角(torsionangles)、化学杂质、链骨架的弯曲或变形等可以导致对角无序的出现，而聚合物链间的距离、链的位置和取向、侧基等可以导致非对角无序的出现。因此，对角无序和非对角无序共同存在于聚合物材料中，导致了材料结构及形貌的复杂性。理解和区分这两种无序效应对于理解电荷输运的物理机制具有非常重要的作用。我们将一维SSH紧束缚模型进行了扩展，将在位能和链间耦合相互作用看作为满足某种概率分布的随机数，从而将对角无序和非对角无序以简单且方便的方式引入到模型当中。为了能够区分这两种无序效应对极化子输运的影响，我们首先考虑了纯对角无序的情况，然后考虑了两种无序共同存在（混合无序）时的情况。　　 对于纯对角无序的情况，我们考虑了两种系统:孤立聚合物链，耦合聚合物链。研究表明，在孤立系统中，极化子的输运机制由对角无序和外加电场相互竞争的结果所决定;而在耦合系统中，既存在对角无序和电场的竞争，也存在对角无序和链间耦合相互作用的竞争。随着对角无序程度的增大，极化子输运经历了一个从绝热极化子漂移到非绝热极化子跳跃的交跨行为，且在很大的电场范围内都能观察到这种交跨现象;而当电场比较强时，场助的隧穿在极化子输运机制中占主导。　　 对于混合无序系统，发现对角无序和非对角无序之间既存在竞争关系，又存在协同关系;竞争关系在弱耦合动力学中占主导，协同关系在强耦合动力学中占主导。竞争关系倾向于提供有利于极化子输运的快速通道，而协同关系倾向于阻碍极化子输运。总的来讲，在大部分情况下对角无序效应不利于极化子输运，有利于极化子输运的路径或通道主要由非对角无序效应来开启。