有机聚合物的非线光学极化率及电荷迁移的微观机理

摘要

有机共轭聚合物具有丰富的电学、光学和磁学特性，广泛地应用于非线性光学材料、场效应晶体管(FET)、发光二极管(LED)以及光生伏打电池等方面，因此引起人们极大的兴趣。本文在有机聚合物的非线性光学极化率和载流子迁移性质两个方面做了如下研究工作。　　 （1）基于第一性原理计算，我们讨论了取代基团对荷电聚乙炔非线性光学极化率的影响，并且，采用局域电荷微分方法分析了分子链各部分对非线性光学极化率的贡献，对有机聚合物非线性光学极化率的微观起源及结构性质关系给出了进一步理解。结果发现有机聚合物非线性光学极化率不仅依赖于侧基取代、电荷诱导局域结构缺陷，而且依赖于它们的相互组合。例如，取代基和电荷诱导局域缺陷均能增强聚合物非线性光学极化率，得电子基团与正电局域缺陷的组合(给电子基团与负电局域缺陷的组合)能够进一步增强聚合物的非线性光学极化率，而给电子基团与正电局域缺陷的组合(得电子基团与负电局域缺陷的组合)抑制了取代基和电荷诱导局域缺陷对极化率的增强效果。另外，我们还讨论了在不同链长的情况下侧基取代、电荷诱导局域缺陷的相互组合对聚合物线性极化率和二阶超极化率的影响。　　 （2）在有机材料中，分子间电子耦合强度(转移积分t)和重整化能(λ)是决定载流子迁移率的两个重要因素。我们基于半经验分子轨道理论和密度泛函计算，讨论了链长和侧基取代对分子间电子耦合强度和重整化能的影响，进一步地，采用正则振动模式方法分析了各个振动模式对重整化能的贡献，从而对载流子迁移的微观物理机制给出了定性理解。研究发现：1）聚乙炔和并苯分子的重整化能随链长增加而减小，同时，链间耦合(t)也随着链长增加而减小。2）由于取代基对附近原子的影响，使和取代基及其附近原子振动相关的振动模式对重整化能的贡献加强，从而使总的重整化能增大。另外，取代基增强了链间对角格点对正对格点的补偿作用，从而使链间耦合减小。