有机聚合物的非线光学极化率与电荷迁移的微观机理

《有机聚合物的非线光学极化率与电荷迁移的微观机理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、1绪论本章概述了有机聚合物在非线性光学器件和有机分子电子学器件方面的研究现状和应用前景，阐述了几种聚合物的结构特点及聚乙炔中的元激发-孤子的物理图像。最后提出本文的研究动机和研究内容。1.1有机共轭聚合物简介有机共轭聚合物是由许多重复单元组成，是一种高分子结构，这些重复单元可以组成多样的有机聚合物材料。它包括塑料、橡胶、淀粉、蛋白质等有机材料。绝大多数的有机聚合物都不具有导电性，通常被用作绝缘体材料，然而在上个世纪60年代初，发现一些有机晶体具有半导体的特性，从此开辟了一个新的研究领域，即集光、电、磁等物理功能于一

2、体的有机聚合物材料的研究。早在1974年，白川英树等人首次合成了聚乙炔薄膜。随后，1977年，他与美国宾州大学的A.MacDiarmid和A.Heeger合作，通3−1过掺杂使聚乙炔电导率得到很大提高，达到了10(Ω⋅cm)，从而变为良导体，开辟了光电器件的新纪元，从此在化学和物理的各个方面展开了对聚合物的系统研究。共轭高分子聚合物作为新型的功能材料，具有相对于无机材料的许多优势，例如大的非线性极化率、超快的响应速度、低成本、密度小、可大面积制造、不易氧化、可通过物理或化学方法进行“剪裁”等。在近二十年来，越来越多

3、的导电高分子材料成为人们[1-5]研究的对象，它在非线性光学器件、场效应晶体管（fieldeffecttransistor，简称FET）、[6-9]发光二极管（light-emittingdiodes,简称LED）及光生伏打电池（photovoltaiccell,简[10,11]称PVC）方面取得了日新月异的进展。目前已经有许多基于有机材料的光电器件在[12]商业生产中崭露头角，如移动电话显示屏、MP3播放器、可卷折电子书，尤其是最近生产的大尺寸TV显示器等等。毫无疑问，在这个节能、环保意识不断增强的社会，有机聚合

4、物将会迅速发展，并给人类生产、生活带来更多的利益。有机共轭聚合物具有准一维的分子结构，图1.1列出了几种有机共轭聚合物的结构示意图。聚乙炔（图1.1(a)、(b)）是在共轭聚合物中最简单的分子。它由CH单元合成，2为平面结构的线性高分子，每个碳原子有四个价电子，其中三个是sp杂化轨道，杂化轨道中的两个分别与一维骨架上邻近的碳原子形成σ键，第三个与侧基氢原子组成σ键。链端碳原子的三个杂化轨道分别与一个碳原子和两个氢原子成键。第四个是π电子，是12p轨道，其电子云分布像哑铃，对称轴垂直于分子平面，相邻碳原子中的π电子云

5、相z互交叠，这使得π电子可以从一个碳原子跳到相邻碳原子上，在整条链上是非局域的。并苯聚合物（图1.1(c)）是塑料电子设备中最有希望的材料。苯分子有六个碳原子，每22个碳原子的四个最外层价电子，其中三个为sp杂化轨道，相邻碳原子之间以sp杂化轨2道互相重叠，形成六个均等的σ键，构成分子骨架。每个碳原子又分别用sp杂化轨道2中一个与氢原子的1s轨道重叠，形成碳氢σ键。所有轨道之间键角都为120°，由于sp杂化轨道都处在同一平面内，所以苯的六个氢原子和六个碳原子共平面。每个碳原子还剩下一个未参与杂化的垂直于分子平面的p

6、z轨道，对称轴垂直于分子平面，其电子云分布像哑铃，形成了位于分子平面上下的分子轨道。(a)顺式聚乙炔(b)反式聚乙炔(c)并苯图1.1准一维的有机分子聚合物纯净的聚合物在基态时不导电，适当掺杂会使其电导率发生很大变化。由于有机共轭聚合物中强的电子晶格耦合相互作用，其中的载流子不再是传统的电子或空穴，而是[13][14]既包含电荷又包含晶格畸变的自陷的各种元激发，例如孤子，极化子和双极化子等。这些非线性元激发在有机材料的输运、发光等性质方面起着很重要的作用。本论文中研究的元激发主要是孤子，因此下面我们重点介绍孤子。孤

7、子是在基态简并反式聚乙炔中特有的元激发。反式聚乙炔中存在两个能量相等的基态：A相和B相（如图1.2）。如果整条链原来处于A相，其中某一段激发为B相，就会出现A相到B相和B相到A相的过渡区域，称为畴壁。激发的能量集中在畴壁中，畴壁称为反式聚乙炔中的孤子或反孤子，其晶格位形见图1.3。孤子形成后，基态的周期势场被破坏，晶格结构和能带结构都发生改变，因而孤子是电子晶格相互耦合的集体2激发。根据孤子的电荷量和自旋，可以把孤子分为中性孤子，负电孤子和正电孤子。中1性孤子不用掺杂，单纯依靠激发来产生，所以它的电荷数不变，仍为中

8、性，自旋为±；2如果掺入施主杂质会产生负电孤子，电荷数为-e，而自旋为0；如果掺入受主杂质会形成正电孤子，电荷为+e，自旋也为0。(a)反式聚乙炔的A相(b)反式聚乙炔的B相图1.2反式聚乙炔的A相和B相0.20.10.0(Å)ny-0.1-0.204080120160Site图1.3反式聚乙炔中孤子的晶格位形图1.2研究动机和研究内容非线性光学是研究物质在