有机分子晶体中载流子迁移特性的理论研究

摘要

有机分子晶体是一种新型半导体材料,在有机场效应晶体管,有机发光二极管,有机太阳能电池等领域有着重要应用前景。有机分子晶体的有序结构使其与共轭聚合物相比迁移率更高。然而,有机分子晶体的输运机理目前仍不清楚,还存在着诸多争论。因此,对其载流子输运机制的研究具有非常重要的意义。
　　电声耦合表征电子与晶格之间的相互作用强度,是有机材料的一个重要特征物理量。在分子间电声耦合作用下,由于温度引起的分子热运动导致分子间的跃迁积分发生明显变化,破坏系统的平移对称性。重整化能量表示有机分子在得失电子过程中分子变形导致的能量变化,对有机分子晶体的输运性质具有重大影响,由此引入分子内电声耦合。基于此建立模型哈密顿量并结合分子动力学方法从扩散角度计算研究电声耦合对有机分子晶体中输运性质的影响。
　　计算结果显示:随着分子间电声耦合的逐渐增强,有机分子晶体载流子迁移率表现出先增高后降低的变化规律。迁移率随着电声耦合的变化出现极值点,并且由于温度影响体系的无序性,导致极值点对应的分子问电声耦合强度随着温度变化。迁移率随着分子内电声耦合的变化规律亦是先增大后减小。在体系中电声耦合起着两方面作用:一方面,电声耦合增强有利于电子与晶格的能量交换,电子从晶格获得更多能量,电子热辅助跃迁过程增多,从而提高体系的载流子迁移率;另一方面,电声耦合增强使得体系的无序性增加。其中分子间电声耦合使体系的热无序性增强,而分子内电声耦合使体系的在位能无序性增强,既安德森局域化作用变强。两者都不利于电子在有机分子晶体中运动,从而使得载流子迁移率降低。这说明在弱耦合区域,电子与晶格的能量交换起着主要作用,载流子迁移率随着电声耦合的增强而增大;在较强耦合区域,电声耦合导致无序性占主要地位,从而使有机分子晶体中载流子迁移率随着电声耦合增强而减小。
　　在模型中引入分子内电声耦合之后,系统迁移率数值发生改变,但并未影响其随着分子间电声耦合变化的趋势。仍是由于分子间电声耦合引起的热辅助跃迁过程和热无序对系统迁移率的双重影响,导致迁移率随分子间电声耦合增强而先增大后减小。
　　综上所述,分子内电声耦合和分子间电声耦合影响了有机分子晶体中电子与晶格间的能量交换以及有机分子晶体的无序性,从而对有机分子晶体中载流子迁移特性起着决定性作用,研究结果对理解有机分子晶体的输运机制有重要意义。