论文部分内容阅读
2003年Kalinowski et al.发现对无磁性有机材料施加磁场后通过器件的电流会发生显著的变化。自此以后,有机磁效应(OMFE)在实验上和理论上得到了广泛的研究。在实验上,人们发现有机磁效应具有以下几种性质:
(1)有机磁效应出现在各种无磁性的有机器件中,并且这种效应没有被温度效应掩盖,在室温下仍可以测量到明显的磁效应,如T.D.Nguyen在室温下测得的磁电导(MC)达到-23%。
(2)磁电阻,光致发光,光电流,电致发光对弱磁场的依赖性非常明显。有机磁效应是一种弱磁场效应,一般只需施加几个mT的磁场,电流就会发生明显的变化。
(3)不同的有机器件,如小分子,低聚物,高聚物等,对磁场的响应不同。一般实验上测得的OMFE可以用洛伦兹型B2/(B2+B20)和非洛兹型[B/(B+B0)]2及其它们的组合公式进行拟合。但是对有些材料,OMFE还可以用指数形式的公式来进行拟合。
(4)磁效应随电压,温度等外界因素的变化没有明显的规律可循。
(5)磁效应有正有负。
正是由于如此丰富的实验现象使得大量的理论物理学家花费大量的精力去研究有机磁效应的物理机制。当前很大一部分人认为应该从自旋的角度出发研究OMFE。在所有基于自旋的模型中,超精细相互作用被认为是一个关键因素。基于自旋和超精细场的理论主要有三个,激子机制,电子空穴对机制和双极化子机制。到目前为止,人们已采用跃迁理论对上述三种机制进行了具体的计算分析,得到的结果解释了很多实验现象,包括洛伦兹形式和非洛伦兹形式的磁电导行为,超小磁场下的奇异行为以及磁电导的正负。然而对于电压,温度,尺寸大小等外界因素对磁电导的影响没有给出具体的理论分析。除了自旋角度之外,还有人对磁场影响电子轨道动量做了研究。2010年王向荣和解士杰提出一种基于电荷洛伦兹效应的机制来解释OMFE。他预测一个非对称的电子轨道会导致明显的磁效应。最近,Alexandrov et al.提出了一种基于非零轨道动量的MC。他们发现弱磁场可以收缩和扩展电子的p轨道。
本论文基于SSH模型,考虑磁场对电子跃迁积分的影响,利用非绝热的动力学方法,模拟了极化子的运动和碰撞,并结合实验,分析了洛伦兹效应对OMR的重要性以及分子不对称性和电声耦合作用对磁效应的影响。本论文具体的研究内容和主要结构如下:
1.基于紧束缚的SSH模型,利用非绝热的动力学方法,研究极化子的运动速度与外加磁场的关系。外加磁场会使载流子的跃迁概率增加,但是这个增加量是一个小量,经过计算发现它仅能使极化子运动速度增加0.008%(磁场大小为300mT),这么小的增加量在实验中往往被当作实验误差来处理,由此,速度的增加并不是产生有机磁效应的根本原因。
2.器件中电流的大小主要有载流子的运动速度和载流子的浓度决定。在双极性器件中,正负极化子碰撞后会产生一个混合态,这个混合态里包括了激子态,而激子态的多少决定了碰撞后载流子电荷量的多少。当施加一个外磁场后,它会改变正负极化子的位相,从而改变两个极化子碰撞后的激子产率。经过计算发现激子的产率随磁场的增加而线性减小,由此产生了负的MC。
3.有机磁效应仅仅在有机材料中发现,对于无机材料,在实验上并没有发现这一现象。根据这个实验结果,我们分析,这个可能是由两种原因造成的。
第一,有机材料的分子与无机材料不同,有机分子大多数是不对称的分子结构,如sp轨道杂化中的π电子。根据计算,增加分子的不对称性会使磁效应增加。对于对称的分子结构,我们得到的磁效应是零。
第二,有机材料分子往往是通过范德瓦尔斯力结合在一起的,它们的能带比无机材料小得多。这意味着载流子在有机材料中是强局域的,磁场对强局域的极化子会有很明显的修正。在模型中极化子的局域性的强弱体现在电声耦合作用,经过计算发现,磁效应随着电声耦合作用的减小而减弱。这说明了强局域态才会出现磁效应。