（凝聚态物理专业论文）有机共轭聚合物中自旋—轨道相互作用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 有机半导体作为一种新型的功能材料，人们已经逐渐认识到其丰富的功能特 性。从小分子到高分子，其电磁光等特性越来越明显。对具有准一维特征的导电 聚合物的结构和物性，特别是它的电特性，可以说已经有了一个比较准确的理解， 无论从量化还是物理建模出发，都得到了与实验基本一致的理论结果。有机发光 二极管( o l e d s ) 是有机分子材料的一个重要应用，目前以小分子合成的发光器 件已经实用化，高分子有机发光二极管也达到实用标准。另一方面，聚合物是软 凝聚态物质的典型代表，也是理解有机体、生物物质的基础。有机材料存在丰富 的物理功能特性，对有机材料的研究必须综合物理、化学等各种手段。 随着巨磁电阻( c m r ) 现象的发现，自旋电子学已成为凝聚态物理中一个 快速增长的领域。自旋电子学是研究电子自旋的注入、输运、控制、探测等- - l q 全新的学科。1 9 9 0 年，d a t t a 和d a s 提出了自旋场效应管( f e tf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 的设想，利用外加电场通过r a s h b a 圭l 旋一轨道耦合作用来有效的控制电子的自 旋进动。从此自旋一轨道相互作用成为半导体自旋电子学中的研究热点。在无机 半导体中对于r a s h b a 自旋一轨道相互作用的影响做了大量的研究，实验上也实现 了利用外加电场来控$ u r a s h b a 作用的强度。r a s h b a 自旋一轨道相互作用对于准一 维电子气系统的能带结构、电子波函数、自旋角速度与线速度以及电导都会产生 一定的影响。 有机材料由于强的电子一晶格相互作用，它的载流子不再是通常意义上的电 子或空穴，也不是以扩展态的形式存在，而是形成所谓的“自陷态”或“局域元 激发 ，如孤子，极化子或双极化子。它们独特的电荷一自旋关系暗示着有机共 轭聚合物中可能潜藏着丰富的自旋相关性质。目前关于有机自旋电子学的研究刚 刚展开，理论上预言了一些自旋相关的新现象，实验上也证实了有机体内可以存 在自旋极化的电流。通常认为有机半导体中的自旋一轨道相互作用比较弱，以前 人们并没有研究，但它的影响是不可避免的，通过控制门电压，r a s h b a 自旋一 轨道耦合作用可以导致载流子的自旋进动。而且有机材料中的载流子具有准粒子 的性质，我们可以找到其准确位置。考虑到自旋一轨道耦合作用等自旋相关的相 互作用，我们才有可能得到有机聚合物输运动力学更丰富的物理图像。 山东大学硕士学位论文 本论文中我们针对有机共轭聚合物，在一维紧束缚s s h 模型和b k 模型的 基础上，深入到材料的微观结构，研究自旋一轨道相互作用对有机共轭聚合物电 子结构性质的影响。同时通过非绝热动力学的方法，研究自旋一轨道相互作用对 于极化子输运过程中自旋演化的影响。本论文具体的研究内容和基本结果如下： 1 自旋一轨道耦合作用对有机共轭聚合物电子结构性质的影响 在我们的模型中一维有机聚合物沿元方向，r a s h b a 电场沿三轴方向。r a s h b a 自旋一轨道相互作用使有机聚合物自旋沿多方向的能带与自旋沿一萝方向的能带 发生劈裂，这个劈裂不同于塞曼效应导致的能级劈裂，它并不消除自旋兼并；同 时自旋一轨道相互作用使有机聚合物的能带变宽，带隙变窄，但由于有机物中的 自旋一轨道耦合作用比较弱，我们所选取的自旋一轨道作用强度很小 ( f 啪的大小大约是“的l 1 0 0 ) ，所以系统能带结构的变化并不明显。 2 自旋一轨道相互作用对有机物中极化子自旋输运的影响 人们已经对有机聚合物中极化子的动力学过程进行了大量的理论研究。 c o n w d l 等人总结了在低场下极化子形成、运动，在高场下极化子将会解离，并 且报道极化子的解离场大约为6 1 0 4 v c m 。l i 等人研究了在强场下有机半导体 中的极化子解离后，将呈现与无机半导体中相类似的b l o c h 振荡。但这些工作都 没有涉及到极化子的自旋，我们知道，由于自旋一轨道耦合等自旋相关的相互作 用，极化子在有机物内传输的过程中可能会出现自旋取向的反转。我们研究了一 维有机聚合物中r a s h b a 自旋一轨道相互作用对极化子自旋输运的影响，并且与 无机材料做了比较。 我们发现自旋一轨道相互作用对于有机聚合物中极化子的晶格位形和电荷 密度影响不大，但可以导致极化子自旋的周期性进动，进动周期与自旋一轨道相 互作用强度之间满足反比关系。这与无机半导体中r a s h b a 自旋一轨道相互作用 对电子自旋演化的影响是相同的。 无机半导体中电子的自旋进动是发生在电子在连续导带不同能级间的跃 迁。有机材料由于强的电子一晶格相互作用，注入的电子( 或空穴) 不像无机 i i 山东大学硕士学位论文 半导体似的以扩展态的形式存在，而是形成局域态，如孤子、极化子等，同时在 带隙中形成局域能级，电子不能容易的跃迁到连续的导带。因此有机半导体中自 旋进动的内部机制肯定与无机半导体不同，这是需要我们继续研究的问题。 关键词：有机自旋电子学；自旋一轨道相互作用；自旋进动 i i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wk i n do ff u n c t i o n a lm a t e r i a l ，c o n j u g a t e dp o l y m e r so rs m a l lo l i g o m e r sh a v e b e e na t t r a c t i n gm u c ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n t e r e s tb o t l lb e c a u s eo ft h eu n i q u e e l e c t r i c ，m a g n e t i ca n do p t i c a lp r o p e r t i e st h a to c c u ri nt h e s em a t e r i a l sa n db e c a u s eo f t h et e c h n o l o g i c a lp o t e n t i a lo fe l e c t r o n i cd e v i c e sf a b r i c a t e df r o mt h e m i np a r t i c u l a r , t h e ya r ea l r e a d yt h eb a s i so fe f f e c t i v eo r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ( o l e d s ) a n da w i d e rr a n g eo fd e v i c e sa n da p p l i c a t i o n ss u c ha so r g a n i cs p i nv a l v e sa n dm a g n e t i c r e s i s t a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，c o i l j u g a t e dp o l y m e r sh a v ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e s o f tc o n d e n s e dm a t t e r sa n dc a ns e r v e 嬲am e d i u mt ou n d e r s t a n do t h e ro r g a n i ca n d e v e nb i o l o g i c a lm o l e c u l e s t h eo r g a n i cm a t e r i a l sh a v ea b u n d a n tp h y s i c a la n d f u n c t i o n a lp r o p e r t i e sa n dw eh a v et oi n v e s t i g a t es u c hm a t e r i a l su s i n gac o m p r e h e n s i v e m e t h o dw h i c hm a yb er e l a t e d 诵t l lp h y s i c s ，c h e m i s t r ya n ds oo n m a g n e t o - e l e c t r o n i c s o rs p i n t r o n i c si saf i e l do fg r o w i n gi n t e r e s t s i n c et h e d i s c o v e r yo fg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) ，r a p i dp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h i s f i e l d s p i n t r o n i c si saf i r e - n e ws u b j e c tt h a tr e s e a r c h e st h ei n j e c t i o n ，t r a n s p o r t ，c o n t r o l ， d e t e c t i o no fe l e c t r o n i cs p i ne t c i n19 9 0 ，d a t t aa n dd a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt h e p o s s i b i l i t yo fas p i nt r a n s i s t o rt h a tc o u l dw o r kd u et ot h er a s h h as p i n - o b i ti n t e r a c t i o n w h i c hi n d u c e ds p i np r e c e s s i o n si nas e m i c o n d u c t o r 、i mf e r r o m a g n e t i cl e a d s h e n c e ， t h es p i n - o r b i ti n t e r a c t i o n ( s o i ) i ns e m i c o n d u c t o r sh a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o n t h e r e a r eal o to fr e s e a r c h e sa b o u tt h er a s h b as o li nt h er i g i ds e m i c o n d u c t o r , i th a sb e e n a c h i e v e de x p e r i m e n t a lt h a th o wt h ee x t e r n a lg a t ee l e c t r o d ec o u l db eu s e dt om a n i p u l a t e t h er a s h b as o i r a s h b as o ih a st h ee f f e c to nt h eb a n ds t r u c t u r e ，w a v ef u n c t i o n ，s p i n a n g l ev e l o c i t y a n dl i n e a rv e l o c i t y , a n dl o w t e m p e r a t u r e c o n d u c t a n c eo f q u a s i o n e - d i m e n s i o n a le l e c t r o ns y s t e m d u et ot h es t r o n ge l e c t r o n l a t t i c ei n t e r a c t i o ni nc o n j u g a t e dp o l y m e r s ，t h ec a r r i e r s a r en o tt h eo r d i n a r ye l e c t r o n so rh o l e s ，b u ts o m es e l f - t r a p p e ds t a t e s ，s u c ha sac h a r g e d s p i np o l a r o na n dc h a r g e ds p i n l e s sb i p o l a r o n t h ep a r t i c u l a rc h a r g e - s p i nc h a r a c t e r i s t i c i m p l i e st h a tc o n j u g a t e dp o l y m e r sm a y b e h a v et h ea b u n d a n ts p i nc o r r e l a t i v ep r o p e r t y 山东大学硕士学位论文 u p t on o w , t h e r eh a v eb e e ne x t e n s i v es t u d i e so nt h en e wf i e l do fo r g a n i cs p i n t r o n i c s 。 t h e o r e t i c a ls o m en e ws p i nc o r r e l a t i v ep h e n o m e n ah a v eb e e n p r e d i c t e d a n d e x p e r i m e n t a lp e o p l eh a v ei n d i c a t e dt h et r a n s p o r t c u r r e n ti no r g a n i cm a t e r i a l sc a l lb e s p i np o l a r i z e d u s u a l l yi ti sc o n s i d e r e dt h a tt h es o ii sw e a ki no r g a n i cs e m i c o n d u c t o r a n dm o s to ft h ep r e s e n tw o r kn e g l e c t e dt h ee f f e c to fs o io ns p i nt r a n s p o r ti no r g a n i c d e v i c e s h o w e v e r , b ya p p l y i n gag a t ev o l t a g e ，i ti sh o p e dt h a tt h er a s h b as o lc o u l d h a v ea no b s e r v a b l ee f f e c t i na d d i t i o n ，a st h ec a r r i e ro fo r g a n i cs e m i c o n d u c t o r , a p o l a r o nh a s ac h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l e l i k e ，w h i c hh a saw e l l - d e f i n e d p o s i t i o n t h e r e f o r ei ti st h e o r e t i c a l l ym e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t et h es p i nd y n a m i c so fap o l a r o n b yc o n s i d e r i n gt h er a s h b as 0 1 w ec o u l do b t a i nm o r ep l e n t i f u lp h y s i c a lp h e n o m e n a a b o u tp o l a r o nt r a n s p o r ti no r g a n i cc o n j u g a t e d p o l y m e r sw h e ns o ih a s b e e n c o n s i d e r e d i n t h i sp a p e r ，c o n s i d e r i n go n e - d i m e n s i o no r g a n i cp o l y m e r s ，w ei n v e s t i g a t et h e e f f e c to fr a s h b as o io ne l e c t r o ns t r u c t u r a lp r o p e r t i e si nt h ef r a m e w o r ko ft h e w e l l - k n o w ns u - s c h r i e f f e r - h e e g e r ( s s h ) m o d e la n db r a z o v s k i i k i r o v a ( b k ) m o d e l i na d d i t i o n , ，w et h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h e s p i i ld y n a m i c so fap o l a r o ni na o n e - d i m e n s i o n a l o r g a n i cp o l y m e rc h a i nb yi n c l u d i n g t h es p i n o r b i t ( r a s h b a ) i n t e r a c t i o nu s i n gan o n a d i a b a t i ce v o l u t i o nm e t h o d t h ed e t a i l e dr e s e a r c ha n dm a i n r e s u l t sa r eg i v e na sf o l l o w s ： 1 、t h ee f f e c to fs o io ne l e c t r o ns t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fo r g a n i cc o n j u g a t e d p o l y m e r s i no u rm o d e l ，o n e d i m e n s i o no r g a n i cp o l y m e ri sa p p l i e da l o n gt h e a x i sa n d r a s h b ae l e c t r i c f i e l da p p l i e d = a x i s r a s h b as o il e a d st h es p a t i a ls e p a r a t i o n b e t w e e n “y + ”( a l o n gt h eya x i s ) a n d “y ( a l o n gt h e 一歹a x i s ) s p i n o rc o m p o n e n t s t h i ss p a t i a ls e p a r a t i o nd o e sn o te l i m i n a t es p i nd e g e n e r a t i o n ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o m t h es p a t i a ls e p a r a t i o ni nt h ez e e m a ne f f e c t s o ii n d u c e st h ee n e r g yb a n do fo r g a n i c c o n j u g a t e dp o l y m e rb e c o m i n gw i d e ra n dt h ee n e r g yg a pb e c o m i n gn a r r o w e r , b u t t h e c h a n g ei sn o tv e r yo b v i o u sa sar e s u l to ft h ew e a ks p i n - o b i ti n t e r a c t i o ni nt h eo r g a n i c v 山东大学硕士学位论文 p o l y m e r 2 、t h ee f f e c to fs 0 1o nt h es p i nd y n a m i c so fap o l a r o ni no r g a n i cc o n j u g a t e d p o l y m e r s u pt on o w , t h e r eh a v eb e e ne x t e n s i v es t u d i e so np o l a r o nd y n a m i c si nc o n j u g a t e d p o l y m e r s c o n w e l lc ta 1 c o n c l u d e dt h a tt h ep o l a r o nc o u l df o r ma n dm o v ea sa ne n t i t y i nl o we l e c t r i cf i e l d sb u td i s s o c i a t ei nh i g he l e c t r i cf i e l d s t h ev a l u eo ft h eh i g h e s t e l e c t r i cf i e l dt h a tt h ep o l a r o nc o u l ds u s t a i nw a sa b o u t6 1 0 4 v c m ( d i s s o c i a t i o n e l e c t r i cf i e l d ) l ie ta 1 s t u d i e dt h ed i s s o c i a t e dp o l a r o np r o p a g a t e di nt h ef o r mo fa f r e e l i k ee l e c t r o na n dp e r f o r m e ds p a t i a lb l o c ho s c i l l a t i o n s ，w h i c hw & ss i m i l a ri nt h e i n o r g a n i cs e m i c o n d u c t o r h o w e v e r , t h es p i nd y n a m i c so fap o l a r o nh a ss c a r c e l yb e e n m e n t i o n e dt od a t ei nt h ef o r m e rr e s e a r c h e s p r o v e r b i a l l y ，s p i nf l i pd u r i n gp o l a r o n t r a n s p o r tt h r o u g ht h eo r g a n i cp o l y m e rc h a i ni sd e f i n i t e l yt oh a p p e n s o ii so n eo ft h e e f f e c t st oa f f e c ts p i ne v o l v e m e n t w ei n v e s t i g a t e dt h es p i nd y n a m i c so fap o l a r o ni na o n e - d i m e n s i o n a lo r g a n i cp o l y m e rc h a i nb yi n c l u d i n gr a s h b as o ia n dm a k e d c o m p a r e dw i mt h er i g i ds e m i c o n d u c t o rf u r t h e rm o r e w eh a v ef o u n dt h es p i np r e c e s s i o nd e p e n d i n go nt h ec e n t e rp o s i t i o no ft h em o v i n g p o l a r o nf o l l o w sc o s i n o i d a lr u l ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p i np r e c e s s i o np e r i o d a n dt h es t r e n g t ho fs o io b e y si n v e r s ep r o p o r t i o nr u l e w h i c hi sc o n s i s t e n tw i 血r i g i d s e m i c o n d u c t o r i nr i g i ds e m i c o n d u c t o rt h es p i np r e c e s s i o no fe l e c t r o nt a k e sp l a c ea m o n ga l lt h e c o n d u c t i o nl e v e l s ( o ri n t e r l e v e l ) t h es o f t r l e s so fa r lo r g a n i cs e m i c o n d u c t o ri n d u c e si t s c a r r i e rt ob eac o m p o s i t ep a r t i c l ew i t hi n t e r n a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i z e db yl a t t i c e d i s t o r t i o n t h ep o l a r o ns t a t ei sd i s c r e t ef r o mt h ec o n t i n u o u sc o n d u c t i o nb a n d 。t h e p o l a r o nl e v e l sa r el o c a l i z e di nt h ee n e r g yb a n dg a p e l e c t r o nc a n n o tt r a n s f e rt ot h e c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nb a n de a s i l y , t h ei n t e r i o rm e c h a n i s mo fs p i np r e c e s s i o ni n o r g a n i cs e m i c o n d u c t o ri sd e f i n i t e l yd i f f e r e n tf r o mw h i c hi nt h er i g i ds e m i c o n d u c t o r , a n dt h i si st h ep r o b l e mn e e d e dr e s e a r c h i n gf a r t h e r k e yw o r d s ：o r g a n i cs p i n t r o n i c s ，s p i n - o b i ti n t e r a c t i o n ，s p i np r e c e s s i o n v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名： 盔釜 e l 期：论文作者签名： 二堑。趾 期： 潮s 1 譬 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二圭耄二导师签名：掣日 期：垒堑业 山东大学硕七学位论文 第一章前言 本章概述了有机共轭聚合物以其独特性质在有机发光，有机场效应管塑料电子擘、有 机铁磁体，有机自旋电子学和分子电子学等多个领域的应用和研究进展同时简单介绍了有 机共轭聚合物同自旋电子学相结合的新学科有机自旋电子学，对有机自旋电子学当前的研 究现状做了详细的介绍，并对r a s h b a 自旋一轨道相互作用做了简要的阐述最后给出本文 的研究思路和理论方法 1 1 有机共轭聚合物 1 i 1 有机共轭聚合物的功能特性 有机共轭聚合物作为一种新型的功能材料，人们已经逐渐认识到其丰富的功 能特性。从小分子到高分子。其电磁光等特性越来越明显。早在2 0 世纪7 0 年代 初，h e e g e r ，m a c d i a m i d 以及s h i r a k a w a 等人发现通过对绝缘材料聚乙炔进行掺 杂，其电导率急剧提高t l - 3 1 ，可以增加几个甚至十几个数量级。某些聚合物的电 导率接近甚至超过金属铜( 铜的电导率为6 x 1 0 5 ( q c m ) - i ) 。还有些聚合物材料如 ( 。在极低的温度( ，肛o 1 5 k ) 下具有超导电性【4 1 。具有特殊结构的有机半导体可 能具有磁性，如高分子一金属配合物、分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化 合物、平面大丌键结构的有机物以及电子转移复合物等【5 1 。有机发光二极管 ( o l e d s ) 是有机分子材料的一个重要应用，目前以小分子合成的发光器件已经 实用化，高分子有机发光二极管也达到实用标准。总之，有机共轭聚合物由于其 丰富的电、磁、光等功能特性，现己在有机发光、有机场效应管、塑料电子学、 有机铁磁体和分子电子学等多个领域得到了广泛的应用和研究。 有机共轭聚合物是软凝聚态物质的典型代表，也是理解有机体、生物物质的 基础。有机半导体( o s e s ，o r g a m cs e m i c o n d u c t o r s ) 由于它的特殊性( “软”性) ， 可以和磁性层形成一个良好的接触，并且由于其弱的自旋一轨道祸合和超精细相 互作用，相应的自旋扩散长度比较长，因而是实现自旋极化输运理想的候选材料。 目前有机共轭聚合物在自旋电子学中的研究也已经逐步展开。 山东大学硕士学位论文 1 。1 2 有机共轭聚合物中的元激发 有机材料与通常的无机半导体材料相比，有着本质的不同。有机材料由于强 的电子一晶格相互作用，具有结构上的“软”性，任何电荷密度的改变都有可能 导致系统结构的再构1 6 - 9 1 。它的载流子不再是通常意义上的电子或空穴，也不是 以扩展态的形式存在，而是形成所谓的“自陷态”或“局域元激发”。如孤子， 极化子或双极化子。而且有机材料中的载流子具有准粒子的性质，我们可以找到 其准确位置。深入理解聚合物中各种元激发对于研究聚合物的光电性质以及其中 的电荷和自旋相关输运有重要意义。 1 1 2 1 孤子 有机共轭聚合物由于其链间耦合比较弱，可以认为具有准一维的链结构，如 图1 1 所示。聚乙炔材料是最简单的共轭聚合物，它是由乙炔聚合而成。碳原子 有四个价电子，其中三个通过印2 杂化与两个碳、一个氢原子在x y 面内形成。 键。1 2 0 0 的键间夹角可以组成碳的两种可能结构，即反式聚乙炔( 如图1 1 ( a ) ) 和 顺式聚乙炔( 如图1 1 ( b ) ) 。在这两种同分异构体中，都剩下一个关于z 轴对称的只 轨道价电子伍电子) ，这个兀电子导致了部分占据的能带结构，它导致了聚乙炔的 重要电学性质 i o - h 】。 2 ( c ) 山东大学硕士学位论文 n h h u n b h ( d ) n i ! i ( c ) ( o f i g 1 1 p o l y m e r sw i t ht h eq u a s i - o n e - d i m e n s i o n a ls t m c t 咐( a ) t r a n s - p o l y a c e t y l e n e ( 护a n s - p a ) , ( b ) c - p o l y a c e t y l e n e ( c i s - p a ) ，( c ) p o l y ( p a r a - p h e n y l e n e v i n y l e n e ) 口p 、嘎( d ) p o l y a n i l i n e ( p a n i ) , ( e ) p o l y p y r r o l e ( p p y ) ，( f ) p o l y t h i o p h e n e d 聚乙炔链中的等键长结构并不稳定，会发生所谓的p e i e r l s 相变【1 2 1 ，即形成 长键和短键交错排列的二聚化结构，如图1 1 ( a ) 所示的双键代表短键，单键代 表长键，它可以理解为c h 基团左右移动的结果，单键长0 1 4 5 r i m ，双键长 0 1 3 5 r i m ，这样的结构要比等键长排列有更低的能量。很显然，根据对称性，反 式聚乙炔的单双键交换不改变系统的能量，即存在两个最低的能量态a 相和b 相。设原来整个聚乙炔链都处于基态a 相，若将它的其中一段激发为b 相，就 出现了两个过渡区域。在左半部分a 相过渡为b 相，称为正畴壁；在右半部分 再由b 相过渡回a 相，此过渡区域称之为反畴壁。由于a 相b 相的能量相同， 激发的能量都集中在正反畴壁中，因而正反畴壁就是反式聚乙炔中的元激发一孤 子或反孤子( 孤子的晶格位形如图1 2 所示) 。 3 山东大学硕士学位论文 f i 舀i 2 l a t t i c ec o n f i g u r a t i o no f s o l i t o ni nt r a n s p o l y a c e t y l e n e 当孤子形成后，基态时的周期势场被破坏，使能带结构中一些能级会从原来 的连续能带中分离出来，形成深能级。若系统没有掺杂，孤子激发后电子的总数 不变，体系仍为电中性，为中性孤子；若系统被掺杂，可形成正电孤子或负电孤 子。因此，孤子激发与电子、空穴激发有很大的不同。对于后者，只是一个电子 从价带跃迁至导带，晶格结构和能带结构都不改变；对于前者，电子进入导带后， 晶体结构和能带结构都随之改变，因而孤子是电子和晶格相互耦合的集体激发。 由于聚合物中电子一晶格的强耦合作用，孤子的这个特点也是聚合物中其他元激 发的共同特点。 1 1 2 2 极化子和双极化子 聚合物系统中的极化子可以认为是由一对孤子和反孤子组成的束缚态，在 肋处有一个孤子，在帅处有一个反孤子，两者之间的距离为砒，其形状类似于 晶格中极化子所产生的晶格畸变，因而这种元激发称为极化子( 晶格位形如图 1 3 实线所示) 。因为极化子是由两个孤子所形成的，当两个孤子距离很远时，每 个孤子都有一个分立能级位于能隙的中心占= 0 ，因而这两个能级是简并的，当 两个孤子逐渐靠近时，孤子与反孤子相互重叠而发生相互作用，于是这两个简并 能级分裂开来，一个变成为成键能级，另一个变成为反成键能级。中性极化子中 的孤子和反孤子之间总存在着吸引力，两者相互吸引而复合，因此中性极化子是 不稳定的。当施主杂质( 受主杂质) 提供( 拿走) 一个电子，则极化子带负电( 正 4 山东大学硕士学位论文 电) ，具有正常的电荷一自旋关系，称为负电极化子( 正电极化子) 。具有非简并 基态的聚合物链不能形成孤子元激发，只能形成极化子。 在基态非简并的系统中，由于两相之间存在能量差，链中可以激发起孤子一 反孤子对，这一对孤子一反孤子之间存在着吸引力，它将孤子一反孤子对拉在一 起形成束缚态，使得孤子和反孤子不能分离，这种束缚态的现象称为禁闭效应。 这样，不管孤子和反孤子带什么电荷，即使两者都带同号电荷，孤子和反孤子之 间的禁闭作用总是存在的。同号电荷之间的库仑排斥力随距离的增加要减弱，而 禁闭力不随距离的增加而减弱，因而库仑排斥力是不能解除禁闭的，并且带有相 同电荷的孤子和反孤子仍然可以被束缚在一起。这意味着，可以存在电荷为2 e 的极化子，这种孤子和反孤子都带电的极化子称为双极化子( 其晶格位形如图 1 3 虚线所示) 。在基态非简并的系统中，可以存在正电双极化子和负电双极化子。 在基态简并系统反式聚乙炔中，只能存在孤子和电荷为e 的单极化子。 e s 、厂 柏8 0 1 0 0 s i 培i n d e x ( n ) f i g 1 3 l a t t i c ec o n f i g u r a t i o n o fp o l a r o n ( s o l i d ) l i n ea n db i p o l a r o n ( d a s h e dl i n e ) i n e , - p o l y a c , e t y l e n e 总之，有机聚合物材料通过掺杂或光电诱导可以产生孤子、极化子等非线性 元激发，这是有机半导体与传统的无机半导体的根本区别所在。它们对应着不同 的电荷一自旋关系，只有中性孤子和带单个电荷的极化子携带1 2 自旋，如表1 1 所示。深入理解聚合物中各种元激发对于研究聚合物的功能特性尤其是o l e d 的发光机理、有机自旋阀器件中的自旋相关输运具有十分重要的意义 山东大学硕七学位论文 c a r t i e r c h a r g es p i n o 1 2 s o l i t o n eo p o l a r o n el 2 b i p o l a r o n 2 e0 t a b l ei ic h a r g ea n ds p i i if o rs o l i t o n , p o l a r o na n db i p o l a m n 1 2 自旋电子学概述 电子既具有电荷又具有自旋，以电子电荷为基础的微电子学在二十世纪取得 了巨大成功。但是在传统的微电子器件中，电子只被看成电荷的载体，而携带的 自旋信息却一直被人们忽视。金属自旋阀中巨磁电阻( g m r , g i a n t m a g n c t o r c s i s t a n c e ) 1 3 - 1 4 和隧道磁电阻( t m r , t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ) u 5 q 6 效应的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命，并由此产生了围绕电子自旋的注 入、输运、控制、探测等一门全新的学科一自旋电子学( s p i n t r o n i c s ，s p i n e l e c t r o n i c s ) 。 自旋电子学基于磁学和微电子学，它不但研究电子电荷的输运特性，同时 也研究电子白旋在固体材料中的输运特性，以及设计开发基于电子自旋相关效应 下工作的器件，如自旋阀，g m r 隔离器【1 7 瑚1 和磁随机存储器( m r a m ， m a g n e t o r e s i s t i v er a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 等。由于自旋相关的电子器件可以同时 利用电子的电荷和自旋来进行信息的传输和存储，这相对于传统的电子器件有很 多优点：1 增大了信息的集成密度；2 提高了信息的处理速度；3 信息的存储具 有不挥发性；4 降低了能量损耗。 要将传统的非磁性材料和自旋相关的效应结合起来，就必须使非磁性材料具 有磁性，即含有自旋极化的载流子。电子自旋注入和自旋相关输运是自旋电子学 中的当前感兴趣和被广泛研究的课题。关于自旋极化注入理论和实验研究主要包 括从铁磁金属到超导体【1 9 1 、铁磁金属到一般金属【2 0 】、铁磁金属到非磁性半导体【2 1 】 以及磁性半导体到非磁性半导体】，或这些构型的复合。全金属的电子自旋器 件相对于半导体装置来说器件的性能不是很好，尤其是后者具有明显的信号放大 6 山东大学硕士学位论文 功能。因此要想提高一些器件的性能，我们必须实现对半导体有效的自旋注入。 近几年来，有关半导体中自旋极化的电荷输运引起了人们极大的兴趣，对载 流子输运过程中自旋的调节和控制是自旋电子学的首要任务之一。自旋一轨道耦 合作用可以通过调节外在电场来有效的调控电子的自旋进动。d a t t a 和d a s 2 3 1 提 出了自旋场效应管( f e tf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ) 的设想，利用r a s h b a 2 a 自旋一轨 道耦合作用来有效的控制自旋的进动。实验上也实现了利用外加电场来控制 r a s h b a 作用的强度f 2 5 埘l 。近几年，关于r a s h b a 自旋一轨道耦合作用在量子点、 量子线、量子阱中的研