有机电子学中的非平衡输运问题

摘 要：ssh模型结合非平衡格林函数方法可以用来研究有机半导体自旋器件中自旋相关的电荷输运。本文用能级交叉解释了有机电子装置中偏压导致绝缘体-金属相变，理论研究也再现了一系列的实验现象。
　　 关键词：有机电子学 ssh 非平衡输运问题
　　
　　 一、引言
　　 近几年对有机纳米结构中的非平衡输运的理论研究已迅速发展起来，特别是将非平衡格林函数（negf）方法同密度泛函理论（dft）相结合的dft+negf方法从物理和化学的角度解释了很多实验现象。但是该方法对负微分电阻和双稳态导电开关效应的解释一直未能令人满意，究其根源来自于dft只能给出系统基态的性质，而这两种实验现象则和系统的激发态相关。基于这一思想，研究负微分电阻和双稳态导电开关效应等新现象可以采用能够很好描述有机体系元激发性质的su-schrieffer-heeger（ssh）模型同negf结合的计算方法（ssh+negf）。计算结果合理地解释了相关的实验现象，并在一定程度上预言了有机自旋电子学可能的新物理现象，主要包括：（1）偏压在有机形成的强电场会使有机体系的价带顶同导带底交叠，从而诱导绝缘态-金属态的相变，使得派尔斯相消失；（2）负微分电阻和双稳态导电开关效应都同非平衡极化子密切相关，前者来自于自掺杂极化子的湮灭，后者则来自于偏压导致的非平衡极化子的产生，负微分电阻效应更可以增强有机自旋阀结构的巨磁阻效应。
　　 二、有机电子学中的非平衡输运问题
　　 1、有机电子学中偏压导致的绝缘体——金属相变
　　 负微分电阻和双稳态导电（cs）开关的发现，使得利用单个分子作为电器开关的分子电子学迅速发展起来。作为下一代可实用技术，分子电子学器件应呈现大的开关比（>50:1），且应是分子的内禀性质并具有可控性。人们为探讨导电开关机制提出了一系列模型，如：构形变化、电荷效应和极化子模型。然而，这些均不能很好解释实验中所观察到的分子开关中大的内禀开关比。下面为另一种可能的机制，导电开关中大的内禀开关比用偏压导致的派尔斯相消失以及能级交叉来控制。
　　 大多数分子器件都采用短链 -共轭有机分子作为散射区材料，并制成“金属——分子——金属”三明治结构。链式纳米尺度的有机分子属于有机半导体（oses）。有机半导体的主要特性表现为派尔斯不稳定性，即电子——声子（e——ph）强相互作用导致单双链交替，并在最高已占分子轨道（homo）与最低未占分子轨道（lumo）之间形成一个相对较大的能隙。无论散射区是由自下而上的单层自组装技术还是自上而下的光刻技术制成，派尔斯不稳定性很大程度上限制碳原子的 电子，并使得有机半导体电导率较低。显然，非局域的电子将有助于提高有机半导体的导电性。要产生这种电子，一种方法是使非线性激发（孤子或极化子）作为电荷载流子，另一种方法是直接消除派尔斯相。升高温度可能会使得派尔斯相消除，从而导致绝缘体——金属转变。
　　 利用时间——偏压映射方法，可计算得到时金属/有机半导体/金属系统中扫描偏压与电流的关系（图1）。图中可清楚的看到滞后的导电开关性质。体系中有机半导体层选取40个格点，长度大约为5nm，这与实验材料尺寸一致。图1中包括了实验中所观测的特性：（1）一个明显的双稳开/关态，分别对应于开关比大于20：1的低/高电阻态；（2）电压为 (~4.5 v)时，局域电流出现最大值 ，且电流与有机半导体的尺寸和金属——有机半导体耦合大小呈非线性关系（从几纳安到几微安）；（3）开启电压 (~3.7 v)处为高电流（开关通）的状态；（4）加入正向或反向偏压可得到重复开关和读数。图1中的插图为开启电压 与有机半导体链长 的非线性关系，这证明结果在不同尺寸的有机电子学器件中具有一般性。
　　
　　 图1. 有机半导体链长 、线性扫描偏压比为 且 时金属/有机半导体/金属电子模型的扫描偏压与磁滞电流的关系

　　 2、有机自旋阀系统中电荷转移极化子诱导的负微分电阻
　　 在传统半导体二极管以及有机半导体（ose）纳米结构中负微分电阻（ndr）的发现打开了器件物理学的新篇章。受有机负微分电阻潜在应用的驱使，已研制成各种有机半导体电子器件并做了大量实验。一些可能的机制，如异质结构中带间隧穿或共振隧穿已被提出，但有机负微分电阻的物理机制仍然是一个理论的挑战。有机负微分电阻不仅由于'电极/有机半导体/电极'结构中的电荷转移，还由于有机半导体结构电子——声子强耦合作用诱导的极化子。

　　 总之，ssh模型结合非平衡格林函数方法可以用来研究有机半导体自旋器件中自旋相关的电荷输运。本文用能级交叉解释了有机电子装置中偏压导致绝缘体——金属相变，理论研究也再现了一系列的实验现象，如 相变；用磁滞负微分电阻行为解释了电荷收集和释放过程，在一定意义上电荷输运极化子态的形成和湮没是相当的。

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