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有机手性电阻理论研究认领

作者：

刘璇

学位授予单位：

山东大学

摘要：

有机光电材料在电、磁、光性质方面具有半导体性质;在化学与机械性质方面具有有机化合物所共有的柔软、耐腐蚀以及制备成本低廉等特性。这些特性使得有机光电材料在有机发光二极管、有机太阳能电池等新一代功能器件中扮演着重要角色,有机层材料的侧链修饰、掺杂、合成方式、形貌结构等均会对器件功能产生显著的影响。同时,21世纪初,有机材料中的自旋注入和输运、有机自旋阀效应以及有机磁电阻效应的相继发现催生了有机自旋电子学。目前,对于有机光电材料电导的调控方式、有机异质结的电、磁、光特性、有机磁场效应、有机手性材料中的自旋选择效应等相关实验与理论研究发展迅速,已有部分实验现象能够被理论所解释,但在某些领域仍缺乏普遍适用的理论。在有机光电材料中,主要存在有隧穿与跃迁两种电输运方式。由于有机半导体具有较强的电-声耦合,其载流子不再是扩展态的带电粒子,而是具有空间局域性的极化子、双极化子等局域态。这些局域态将会决定材料的输运性质,同时,材料中晶格性质的变化将会引起输运性质的改变。有机光电材料可以分为非手性材料与手性材料,材料的手性会对其电、磁、光特性产生重要影响。20世纪末,实验上首次发现电子在手性材料中的透射会表现出自旋相关的不对称性,随着人们对手性材料所表现出的手性相关电、磁、光特性研究的不断深入,近年来有机手性研究成为有机光电材料领域的前沿热点。另外,手性材料中的自旋相关输运特性使人们有望利用手性分子构造新型有机器件,如手性阀、手性电阻元件等。基于有机光电材料所具有的强电-声耦合特性以及材料种类的丰富性,本文主要包含两部分内容,一是以一维紧束缚模型为基础,在跃迁输运图像下研究同位素取代对有机体系输运性质的调控,二是提出手性电阻概念,在隧穿输运图像下研究手性对有机体系电阻的调控。1.有机材料输运性质的同位素效应有机材料的主要构成元素为碳和氢,二者在自然界中均存在有一定丰度的同位素。近年来,许多实验表明同位素取代会影响材料体积、热导率等性质,在器件中将影响其光电特性、寿命和稳定性等。有机半导体器件的性能与内部载流子迁移率密切相关,由于有机材料中所存在的强电-声耦合,同位素取代将通过(CH)核来影响载流子迁移率。本论文第三章针对近年来实验发现的有机半导体电、光、磁现象中的同位素效应,基于强电-声耦合的紧束缚模型,利用非绝热近似分别研究了小分子晶体和聚合物链内的极化子运动受同位素取代的影响。通过引入有效质量,我们给出了同种材料中迁移率与基团质量的关系。结果表明氢元素的氘化或碳13元素的存在都会降低有机材料迁移率,且同位素效应的大小与电-声耦合的大小有关。在同位素取代浓度不变时,同位素分布不影响器件平均迁移率。该研究为利用同位素取代调控有机器件性能提供理论支持,为器件制备过程中材料的选择提供理论依据。2.有机手性电阻效应自然界中许多有机分子都具有手性,近年来实验上发现手性分子在电输运、自旋相关输运、磁学、光学、电化学等方面的性质都是手性相关的。这些研究表明,手性作为有机分子的重要性质之一,具有巨大的应用潜力。由于电输运性质容易通过外场进行调控,异质结结构被广泛应用于电学器件中。手性分子与其对映异构体之间具有不同的自旋选择偏好,因此能够利用手性分子构成异质结结构,通过调控分子手性构型对器件电阻进行调控。本论文第四章构造了由两个手性分子所构成的异质结结构,考虑手性分子中存在的电子自旋不对称性,利用手性诱导的自旋-轨道耦合表征分子手性,计算不同手性构型下,异质结中的电子透射谱以及隧穿电流-电压曲线。结果表明异质结手性相同构型的电流大于手性相反构型的电流。我们将二者的相对差异定义为手性电阻,并利用二电路模型对其进行解释。进一步计算表明,增加分子长度、施加拉力、改变界面耦合以及改变手性翻转比都能够增大手性电阻。该研究有助于理解手性异质结中的传输特性以及设计不包含磁性元素的新型自旋电子器件。

摘要译文

关键词：

有机光电材料; 同位素效应; 手性诱导的自旋-轨道耦合; 手性异质结; 手性电阻

学位年度：

2022

学位类型：

硕士

学科专业：

物理学

导师：

解士杰

中图分类号：

O469[凝聚态物理学]

学科分类号：

070205[凝聚态物理];070209[计算物理];080506[纳米材料技术]

D O I：

10.27272/d.cnki.gshdu.2022.004845