C/Si共聚导电高分子材料电子结构及输运性质理论研究

摘要

近些年来，碳基一维纳米材料和硅烷基一维纳米材料因为其应用前景而引起人们的持续关注。而其中具有π共轭体系的碳基导电高分子材料，如聚乙烯、聚吡咯、聚茂铁、聚噻吩等因拥有优异的热学、机械和电学性质以及极高的韧性，使其在电子元器件和晶体管等方面得以应用而备受青睐。但是，这类导电高分子材料却没有较好的稳定性;而硅烷基一维纳米材料由于具有离域的σ-共轭的硅链体系，有较好的稳定性，但其导电性弱于π共轭体系的碳基导电高分子材料。为此，近年来科研人员逐渐将研究热点转向碳基与硅烷基共聚的一维纳米材料，并陆续合成出聚苯基硅烷、聚乙烯基硅烷、聚茂铁基硅烷、硅烷噻吩共聚物等，并且对该类新型纳米材料的机械性能、热学、光学等方面特性进行了探究，而涉及对这类材料的电子结构及输运性质的理论研究较少。本文对两类C/Si共聚高分子材料的电子结构及输运性质，结构和性能的关系进行了理论研究，为开发C/Si共聚导电高分子材料提供理论参考。
　　首先对两类共聚高分子材料结构进行了优化，并根据结构特点设立参数建立了双探针体系模型。
　　其次，本文选取了一系列C/Si共聚材料[(SiH2)x(CH=CH)y]n(n=(2-)4&∞，x=2-4，y=1-4)，应用密度泛函理论与非平衡格林函数计算并研究了它们的电子结构及输运性质，重点考察了硅烷基的长度、乙烯基链的长度和整个分子主链长度的影响。计算结果表明，硅烷基部分的长度x和整个分子链的长度n在调节纳米线的电子结构和输运性质中起着重要的作用，而对于乙烯基部分，其长度y对该体系输运性质并没有呈现出线性的影响。(1)电导率会随着硅烷基长度x的增加而减小;(2)延长乙烯基基团y并不会有利于提高电导率;(3)零偏压下，电导率衰减与整个分子长度n呈指数函数形式变化。进一步分析表明，电导率与HOMO轨道、LUMO轨道的拓扑结构以及透射光谱密切相关。
　　最后，本文选取了一类C/Si共聚纳米材料[V(Cp)2(SiH2)n]m（n=1-3，m=∞，Cp=环戊二烯基），采用密度泛函理论与非平衡格林函数进行计算并研究了它们的电子结构和输运性质之间的联系。研究结果表明:随着硅烷基的增长，V-V的铁磁性耦合变弱而反铁磁性耦合增强;[V(Cp)2(SiH2)1]m和[V(Cp)2(SiH2)2]m被证实为铁磁性基态，而[V(Cp)2(SiH2)3]m更倾向为反铁磁性基态;[V(Cp)2(SiH2)1]m和[V(Cp)2(SiH2)2]m的铁磁性基态中的每个钒原子的磁距为3.0μB。[V(Cp)2(SiH2)1]m、[V(Cp)2(SiH2)2]m和[V(Cp)2(SiH2)3]m的输运性质同它们的电子结构相一致，其导电性变化规律为[V(Cp)2(SiH2)3]m＞[V(Cp)2(SiH2)2]m＞[V(Cp)2(SiH2)1]m;对于[V(Cp)2(SiH2)1]m和[V(Cp)2(SiH2)2]m，自旋向下状态的导电性略强于自旋向上状态，[V(Cp)2(SiH2)1]m和[V(Cp)2(SiH2)3]m都发生了明显的负微分电阻效应而[V(Cp)2(SiH2)2]m却没有，这是由于两个体系中二茂钒的排列取向不同，即[V(Cp)2(SiH2)1]m和[V(Cp)2(SiH2)3]m（SiH2为奇数）中二茂钒呈Ⅴ-型取向排列，进而导致了类似于离子键的量子点耦合，而[V(Cp)2(SiH2)2]m（SiH2是偶数）中二茂钒是平行-型取向排列，从而导致了类似于共价键的量子点耦合;此外，由于散射区和两个电极之间的不对称耦合，使得[V(Cp)2(SiH2)1]m、[V(Cp)2(SiH2)2]m和[V(Cp)2(SiH2)3]m的导电性对电压施加方向较敏感。
　　通过比较[(SiH2)x(CH=CH)y]n和[V(Cp)2(SiH2)n]m体系的带隙范围可知，[(SiH2)x(CH=CH)y]n的导电性强于[V(Cp)2(SiH2)n]m;另外，[V(Cp)2(SiH2)1]m和[V(Cp)2(SiH2)3]m具有明显的负微分电阻效应，而所有的[(SiH2)x(CH=CH)y]n体系均未发生负微分电阻效应。
　　本文研究结果表明，可以通过组合不同的碳基和硅烷基结构单元来设计具有特定功能的新型C/Si共聚纳米导电高分子材料。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 碳基一维纳米导电材料

1．2．1 导电聚乙炔的研究现状

1．2．2 茂金属导电聚合物的研究现状

1．3 硅烷基一维导电高分子材料的研究现状

1．4 C／Si共聚导电高分子材料的研究现状

1．5 本文课题来源、研究内容及方法

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究目的及意义

1．5．3 研究内容

2．1 概述

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Thomas-Fermi-Dirac模型

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．3 能带理论

2．3．1 布洛赫定理

2．3．2 布里渊区和能带

2．4 非平衡格林函数理论

2．5 本章小结

第3章 计算方法与模型设计

3．1．1 计算方法

3．1．2 理论模型

3．2 [V(Cp)2(SiH2)n]∞体系的计算方法与模型

3．2．1 计算方法

3．2．2 计算模型

3．3 本章小结

第4章 [(SiH2)x(CH=CH)y]n的电子结构和输运性质

4．1 引言

4．2 体系的电子结构讨论

4．3 体系传输性质的结果与讨论

4．3．1 有机硅烷基片段长度的影响

4．3．2 乙烯基链长度的影响

4．3．3 整个分子链长度的影响

4．4 本章小结

第5章 [V(Cp)2(SiH2)n]m的电子结构和输运性质

5．1 引言

5．2 几何结构与电子结构

5．2．1 几何结构及稳定性

5．2．2 磁性

5．2．3 能带结构分析

5．3 双探针体系的输运性质

5．3．1 I-V曲线

5．3．2 D-[V(Cp)2(SiH2)1]m、D-[V(Cp)2(SiH2)2]m和D-[V(Cp)2(SiH2)3]m的ES、MPSH、TS、EP结果分析

5．3．3 与[(SiH2)x(CH=CH)y]n输运性质的比较

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢