有机半导体中zener隧穿

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1、山东大学硕士学位论文摘要1934年，Ze!ner首次从理论上预言了半导体中的能带电子在外加线性势场的影响下，会发生电子的带间隧穿现象。这种隧穿被人们后来称之为Zener隧穿。Zener隧穿在半导体科学，超导科学，光电科学，以及电子学等领域得到了广泛应用。以Zener隧穿为原理，人们研制出被用作稳压二极管的ZenerDiodes；以及在超导领域中重要的器件JosephsonJunctions；在光子晶体中加速光晶格中的原子等等。几十年来，有关Zener隧穿的相关研究层出不穷，吸引着更多的研究者投身到与其相关的工作中。然而迄今为止，人们似乎对于无机半导体中的Zener隧穿的研究兴

2、趣远大于其在有机半导体中的应用。很少有人在有机半导体中给出一个清晰完整的ZeIl盯隧穿机制的图像。在一维有机共轭聚合物中，人们普遍认为其gap的产生根源于一维系统中所特有的二聚化现象。不同于无机半导体较稳定的能带结构，由于存在了强的电子一晶格耦合作用，有机半导体的能带结构在外加强电场下会发生复杂的变化。在这样的情况下，有机半导体中的Zener隧穿是个什么样的图像呢?有什么不同于传统无机半导体中的隧穿机制呢?本文正是基于这些疑问，以最简单的一维有机半导体材料聚乙炔为研究对象，采用数值计算的方法，考察其在低温强电场情况下的电子态的情况，并最终清楚地得到了聚乙炔中的栅隧穿图象。本文

3、也将有机半导体中的Zener隧穿与无机半导体中的Zener隧穿情况进行了比较，使我们更进一步拓宽了对于7_翩fler隧穿的认识。第一章系统介绍了到目前为止，人们对于无机半导体中的7_脚lffr隧穿的研究成果。其中涉及到大量Zener隧穿的各种实验以及相关应用。并介绍了理论上研究传统Zener隧穿人们使用的方法，主要是半经典的方法以及量子微扰的方法。我们期待将这些方法应用在以后的有关有机半导体Zener隧穿的解析理论推导工作中。尤其是在概念上拓展了Zoner隧穿的物理外延，认为不必一定是传统晶体中的电子系统，即使是光子晶体中，声子系统中，含有Haldanegap的自旋系统中，只

4、要是含有周期结构的系统，在外加线形势场情况下，有粒子(光子、声子、磁量子)的带间转移发生的情况，这些都被称为Zener隧穿。因此我们可以期待山东大学硕士学位论文在各种新的系统中研究各种有趣的Zener隧穿图象。第二章，我们过渡到有机半导体中的Zener隧穿相关研究介绍，这方面的工作相对来说较少。主要是介绍了KazumiMaki早先提出的一维ChargeDensityWaveCondensates中电场诱导产生孤子对的理论研究以及A．B．Kaiser在有机共轭聚合物的低温导电机制的研究。这两个理论工作为我们的研究提供了可靠的参照与有益的提示。我们很自然的预测到，在有机Zener

5、隧穿中，电子一晶格的耦合将起到重要作用，并预计能观察到相应的局域能级以及局域态伴随着Zener隧穿出现。另外介绍了在目前热门的单壁碳纳米管与单层石墨带中的Zener隧穿的工作，这启发我们进行在新型材料中对于传统物理图像的研究。在本章的最后我们介绍了在一维有机格点中有关Bloch振荡、Zener隧穿的最近工作。第三章，我们采用传统的SSH半经典模型处理聚乙炔电子系统，求解在外加强电场情况下的系统状态，利用电子一晶格耦合方程，采用自洽迭代方法计算每个强电场情况下的系统稳定状态。我们用电子在能带中基态占据、单激发态占据、双激发态占据来分别表示未发生Zener隧穿，发生一个电子Zen

6、er隧穿与发生两个电子Zerler隧穿的情形。通过比较每个电场下这些不同占据态的能量大小来确定究竟是否有电子隧穿更稳定，隧穿几个电子更稳定。在有Zerler隧穿发生的情况下，我们详细的计算其能带结构，晶格位形，电子密度分布等重要物理指标，以期得到全面系统的认识。我们发现当电场到达一个临界值时，聚乙炔中单电子激发占据方式的能量更低，即此时发生第一个电子的Zener隧穿，同时整条链上突然产生电荷极化与晶格的畸变，在能带中观察到局域能级。我们相应计算了刚性晶格的Zener隧穿，对两者进行了比较。发现有机半导体中带隙中出现的局域能级对隧穿有一定的辅助作用，有机半导体比传统的刚性半导体

7、更容易发生Zener隧穿。当有一个电子发生隧穿之后，继续加大电场，则会继续有电荷在链的两端积累。我们也讨论了电子一晶格耦合强度对Zener隧穿发生的影响。我们的模型中没有考虑电子一电子相互作用，因此无法讨论这种电荷不断积累所带来的影响，另外我们的模型只是适合于描述整数电荷的隧穿过程，而无法描述分数电荷的隧穿，这些仍然是我们在未来的工作中需要继续改进的地方。关键词：有机半导体、Zener隧穿、激子、正／负极化子Ⅱ山东大学硕士学位论文ABSTRACTZenerfirstlypredictedtheelect