有机共轭聚合物是一种极具开发潜力的新型高分子有机材料，和传统的无机材料相比，具有成本低廉、易于加工等优点。近年来，许多基于聚合物材料的光电器件已经从实验室走向产业化开发和利用。有机发光二极管、有机光伏电池、有机单晶场效应晶体管的成功研制，以及近年来对上述器件的磁效应研究，极大地促进了有机光电子学的发展。其中，有机电致发光已经成为新型图像显示、信息存储和处理领域中最为活跃、发展最快的技术之一。尽管如此，由于有机材料结构和性能的复杂性，许多物理机制仍然没有得到很好解释。例如，非线性元激发的产生机制问题，发光器件的工作机理和发光效率问题，载流子的迁移率问题等。　　 由于其结构上的一维特性，在电-声耦合作用下，有机共轭聚合物中的额外电子/空穴会诱导晶格发生畸变，从而产生极化子、双极化子等非线性元激发，这些非线性元激发既包含电荷，又包含晶格缺陷。一般认为聚合物中的载流子就是伴随晶格畸变的极化子、双极化子。对元激发输运和发光特性的理论研究，不但可以帮助人们理解低维体系中一系列奇异的物理现象，还为提高有机光电器件的效率、设计新型有机功能材料提供有益的理论指导。　　 载流子的输运、复合等动力学过程对聚合物的导电和发光特性具有重要作用。最近，一些理论研究工作表明，极化子、双极化子、激子等元激发的碰撞、复合，会产生一种新的非线性元激发，trion，这种激发态既能导电又能发光，因此它的存在对材料的电输运特性及发光效率都将产生重要影响。目前一般认为，trion的辐射跃迁发光，是上述物理过程产生发光的主要机制之一。trion的发现，为提高发光二极管电致发光效率开辟了新的通道。所以，对trion的产生机制、光电特性、静态性质等进行充分的研究，在理论和实践两方面都有着重要意义。　　 在有机器件中，载流子迁移率对器件效率及响应时间都起着非常关键的作用。一般认为，有机材料中分子间弱的van der Waals力将导致载流子迁移率降低。所以，寻找具有高的室温载流子迁移率的材料是目前相关理论和实验研究的中心任务之一。从现有文献看，前人工作主要集中在对极化子输运性质的讨论上，双极化子、trion和极化子具有不同的电荷/自旋特征，而它们对电荷/自旋的输运贡献还尚未被充分考虑。另外，一般讨论中，载流子间的Coulomb相互作用经常被忽略。由于共轭聚合物中的物理过程主要由电子-声子相互作用和电子-电子相互作用来决定，忽略后者，可能会导致某些物理特征被“抹掉”。1963年，在讨论过渡金属窄d带中的电子关联问题时，Hubbard提出了描述电子-电子相互作用的模型，称为Hubbard模型。采用Hartree-Fock近似，即把多电子问题化为单电子问题，把其他电子对某电子的作用视为平均场，可以使电子间库仑作用问题得到简化。　　 本课题采用的基本理论模型是Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型。该模型是目前描述电子-晶格相互作用最为成功的理论模型之一。我们将SSH模型和描述电子-电子相互作用的Hubbard模型相结合，采用非绝热分子动力学，系统地研究有机共轭聚合物中trion的静态特征、形成机制和输运特性，及其对有机聚合物导电及发光特性的影响。论文主要包括三个部分:　　 1.trion元激发的静态特征　　 我们采用Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型来描述电子-晶格间相互作用，扩展的Hubbard模型来描述电子-电子相互作用，通过自洽迭代计算，得到了描述trion静态特性的一系列参数，如晶格位形，电子态，电荷分布，波函数等。作为三粒子复合体，trion的束缚能、有效质量比极化子、双极化子更大，稳定性更强。电子-声子相互作用和电子-电子相互作用对trion的静态特征都有显著影响:强的电-声耦合有利于trion的形成，并增强其稳定性;同一格点电子间相互作用和最邻近格点电子间相互作用都增强trion晶格位形和电荷分布的局域度，从而增大其有效质量和稳定性。　　 我们也研究了荷电trion的（超）光学极化率。和双激子一样，trion具有反向极化特性。电子-电子相互作用对其一、三阶极化率影响显著:同一格点电子间相互作用U既增强链中trion激发态诱导的反向极化，也增强基态部分的正向极化;最邻近格点电子间相互作用V则明显增强反向极化，抑制正向极化。电子-电子相互作用对trion三阶极化率的影响是:U增强trion的三阶极化，而V则抑制trion的三阶极化。　　 2.共轭聚合物中trion的动力学形成　　 我们采用非绝热近似下的动力学演化方法，模拟了外电场作用下，链内双极化子和局域在侧基中的未配对电子的碰撞、复合并形成trion的动力学过程。双极化子和侧基碰撞后，可能出现的情况有:双极化子直接穿过侧基;双极化子和侧基中的未配对电子复合为荷电trion;双极化子被束缚在侧基附近。上述情况的出现依赖于外加电场强度，侧基电势和主链-侧基间的耦合强度。所以，trion的形成同样依赖于电场强度、侧基电势、侧基和主链间的耦合等条件。在适当条件下，双极化子-异号粒子反应可以有效生成trion。我们的理论模拟结果为Kadashchuk提出的trion的生成模型提供了理论支持。值得注意的是，trion可以通过辐射跃迁释放出一个光子，衰变为普通极化子。所以，双极化子-异号粒子反应对聚合物分子的电致发光同样有贡献。　　 3.共轭聚合物中trion在电场下的运动　　 我们采用非绝热近似下的动力学演化方法，对trion在外加电场下的运动、解离进行了模拟，我们发现，由于具有强的稳定性和大的有效质量，trion在电场下运动的最大饱和速度为2.6vs（vs为声子速度），低于极化子和双极化子的饱和速度。与极化子、双极化子的解离过程相似，trion在强电场下同样经历和声学模、光学模先后脱离耦合后，才完成解离。trion的解离电场强度达到15.0mV/(A)，远大于极化子和双极化子。　　 电子-电子相互作用对trion的运动具有显著影响。同一格点电子间相互作用U和最邻近格点电子间相互作用V都抑制trion在电场下的运动，即U和V的作用越强，trion的速度越小。　　 值得注意的是，考虑电子-电子相互作用后，trion会随着电子-电子相互作用参数的不同，表现出三种典型的特征速度:高的超声速度VⅢ，超声速度VⅡ，声子速度VⅠ。我们利用trion中荷电粒子电荷密度中心来追踪各个粒子在电场下的运动和分布状况，发现:电子间相互作用不同，trion中三个荷电粒子会构成不同的位置结构关系:同一格点电子间相互作用较弱时，trion趋向于“双极化子+极化子”结构;同一格点电子间相互作用较强时，trion趋向于“激子+极化子”结构。最邻近格点电子间相互作用较弱时，trion倾向于“激子+极化子”结构;最邻近格点电子间相互作用较强时，trion倾向于“双极化子+极化子”结构。显然，两种作用间存在竞争。trion的典型结构包括:“激子+极化子”结构，“双极化子+极化子”结构，以及介于二者间的三种粒子近似等距排列结构。trion的三种特征速度源于其结构的多样性，与其三种典型结构密切相关。　　 另外，我们也发现trion等载流子的运动速度与其极化强度密切相关，在相同电场下，载流子偶极矩越大，其运动速度越快;载流子偶极矩越小，其速度越慢。