有机聚合物中载流子输运性质的Monte Carlo模拟

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有机分子具有强的电声相互作用,当有电荷(电子或空穴)占据到一个分子上时,由于电声相互作用,会引起该分子上原子几何位置的重新排布,这个过程称为晶格驰豫。我们采用蒙特卡罗方法研究了有机分子聚合物中载流子的输运性质,特别考虑了晶格驰豫对载流子迁移率的影响,对实验结果给出了合理的物理理解。并且得出了一维有机分子晶体中载流子迁移率的解析解,与蒙特卡罗方法解相同。   在高纯的一维有机分子晶体中,忽略任何无序,仅仅考虑电声相互作用导致的晶格驰豫效应,我们模拟了载流子迁移率对温度、电场强度、重整化能量等物理因素的依赖关系,所得结果在很大的温度和电场变化范围内与实验相符合。电场对载流子迁移率有着重要的影响,电场较低时,迁移率基本不随电场的变化而变化。电场较高,高温时,迁移率随电场的增大而减小;而温度低时,随电场的增大而增大。当电场非常高时,载流子迁移率随电场强度的增加单调降低。在局部有序的3-己基噻吩的分子晶体中观察到了低温时迁移率随温度的升高而增大,高温时随温度的升高而减小的趋势。温度对载流子迁移率的影响表现为,随着温度的升高,迁移率表现为先增大后减小的趋势。但是当重整化能量比较大时,临界温度很高,所以不能观察到减小的趋势。而且在温度较高时,相同的温度变化范围内,随着重整化能量减小,越来越接近跃迁积分,迁移率随温度的升高由增大变为减小。重整化能量对载流子迁移率有着重要的影响,随着重整化能量的增大,载流子迁移率减小。   而在相对无序的有机分子聚合物中,我们研究了能量无序、位置无序以及晶格驰豫对载流子输运性质的影响。结果发现,位置无序对载流子的输运性质的影响很小,不会改变载流子迁移率随温度电场等的变化趋势。而能量无序和晶格驰豫对载流子输运性质有着类似的影响,这两种不同的因素能引起迁移率随着温度和电场的相同的变化趋势。并且所得出的结论均与实验现象相一致。   用不考虑无序的晶格驰豫模型,计算了并五苯晶体中的载流子输运性质,特别是其载流子迁移率的各向异性。通过计算结果可以得出,并五苯晶体不同分子层之间的相互作用很小,所以c轴方向对在同一分子面上的口和6轴方向的迁移率对称性影响很小,c轴方向的迁移率大约为最高迁移率的1/3,有机分子晶体中不同分子面方向上的载流子迁移率不可忽略,其载流子输运过程不能等效为二维的输运过程。在不同的方向上,载流子迁移率随温度的变化略有不同。计算并五苯晶体所用的模型与一维有机分子晶体的模型相同,同样得出了与实验相符合的结果。综上所述,晶格驰豫是决定载流子输运性质的重要因素之一。
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