材料物理-有机半导体.pdf

有机导体的发现和发展有机导体的发现和发展有机导体的发现和发展有机导体的发现和发展吴 长 勤吴 长 勤（复旦大学物理系）（复旦大学物理系）Email:?为什么是有机材料？?有机导体的发现?有机导体的导电机理?几点启示Moores Law Gordon Moore(co-founder of Intel)predicted in 1965 that the transistor density of semiconductor chips would double roughly every 18 months.Increase in memory and microprocessor transistor count,as predicted by Moore.Scale of Approximate Sizes(each step in the scale is a factor of 10)ScaleDiameter/Width ofWavelength of1 metermanaudible sound(in air)1 centimeterfingernail1 millimeterhuman hairtypical cell1 micronchromosome(染色体),bacterium（细菌）0.1(Point One)micronDNA coil,virus，半导体集成电路visible lightMacromoleculeultraviolet light1 nanometersmall organic molecule1 Angstromatomx-rays used for crystallography1.1.1.1.为什么是有机材料？为什么是有机材料？为什么是有机材料？为什么是有机材料？信息科技、计算机-超大规模集成电路ULIC无机材料(Si,GaAs等)-有机材料1.提高集成度2.光电一体化1.提高集成度毫米：10-3m,mm(millimeter)微米：10-6m,m(micrometer)半导体集成电路 0.1 m 纳米：10-9 m,nm(nanometer)分子尺度(分子电子学、纳米电子学)线度小100倍，体积小 10-6倍埃：10-10m,(angstrom)原子尺度（单原子物理）为什么要提高集成度？电脑：笔记本 电话卡 米粒医学：超微电脑,器官内部诊断、修补，打通心血管阻塞 军事：微型飞行器，飞“鸟”侦察，2.光电一体化无机材料：Si 电GaAs 光（红外）不透明、不发光有机材料：以C为基础的材料导电、透明、发光（各种颜色的可见光）有机光电材料的优点：1.柔性，大面积(软屏幕)2.制备简便(不需超高真空、高温)3.分子结构多样，易变(可材料设计)4.光电一体(导电、透明、发光)5.分子器件单个有机分子 单元器件 1纳米超大规模集成电路(ULIC):尺度已达0.1微米，限度0.035微米=35纳米Samsung Electronics Develops Worlds First 40-inch a-Si-based OLED for Ultra-slim,Ultra-sharp Large TVsOLED低电压、高效率、可卷折、自发光Organic light emitting diode:device有机发光：electroluminescence1990 Cambridge Univ.,Cavendish Lab.目前,已可以做到发光颜色为Blue,Green,Orange,and Red.Plastic electronics:All-polymer transistors,plastic integrated circuit,From silicon physics to molecular electronics:to put electronic circuit properties into single molecules.such molecules are connected by conductive-polymer wires.Dimension reduced from 200nm to 2 andthe speed and dynamic memory of computers increased by a factor of 108.correspond to forty years of computer technology development.Conductive polymers may be crucial 1974年白川英树获得银色聚乙炔薄膜；1974年白川英树获得银色聚乙炔薄膜；1977年白川、Heeger、MacDiarmid通过掺杂提高聚乙炔薄膜电导率达101977年白川、Heeger、MacDiarmid通过掺杂提高聚乙炔薄膜电导率达109 9倍；倍；is motivated by the important scientific position that the field has achieved and the consequences in terms of practical applications and of interdisciplinary development between chemistry and physics.2.2.2.2.有机导体的有机导体的有机导体的有机导体的发现发现发现发现Oxidation with halogen(p-doping):CHn+3x/2 I2-CHnx+x I3-Reduction with alkali metal(n-doping):CHn+x Na-CHnx-+x Na+实验表明：在有机高分子中，掺杂导致电导率由一个快速上升的过程，而在这同时，磁化率在相当一段范围内继续几乎为零。这表明，导致电导率上升的载流子只有电荷，没有自旋，不是一般导体或半导体中的电子和空穴。有机材料中的载流子具有反常的电荷-自旋关系，明显表明了电荷和自旋的分离。3.3.3.3.有机导体的有机导体的有机导体的有机导体的导电机理导电机理导电机理导电机理CCHH乙炔C2H2acetyleneCCHH聚乙炔(CH)npolyacetylene()Overlap of pzorbitals leads to the formation of a delocalized pi electron cloud above and below the plane of the sigma bonds which form thestructural framework.对称破缺的A相和B相能量简并。A phase:B phase:Peierls instability:a result of electron-lattice interaction in one dimensioncharge=0spin=orcharge =espin=0光吸收实验：反式聚乙炔的掺杂吸收光谱(实线)和光致吸收光谱(虚线)三个红外吸收峰：掺杂：1370cm-1,1250cm-1,800cm-1光致：1370cm-1,1260cm-1,500-600 cm-1孤子局域模计算：发现共有三个红外活性振动模。拓扑元激发：孤子odd-atom ringeven-atom ring对称破缺前：系统的周期为a，中心对称.对称破缺后：系统的周期为2a，中心非对称.A:B:A,B相互为镜像.在对称破缺的系统中，拓扑性激发可以产生分数电荷。2/eQ=物理观察：P=Q2a=eaA phaseB phase对称破缺前：系统的周期为a.对称破缺后：系统的周期为3a.A:B:C:3a3/eQ=物理观察：P=Q3a=ea分数电荷：大量电荷组合的效应，非传统分的概念。A phaseC phase4.4.4.4.四点启示四点启示四点启示四点启示第一、科学研究不能怕犯错误，甚至是很愚蠢的错误。既然科学研究的对象是未知世界，科学家必须具有敏锐的感觉，具备捕捉稍纵即逝现象的能力。偶然的错误可能会导致重要的发现，导电塑料就是一例，但只有做好充分准备的科学家才能获得抓住这一千载难逢的机遇。第二是会间休息（coffee break）的重要性。要是没有会间休息时马克迪尔米德和白川的偶遇和闲聊，导电塑料的发现可能就要推迟。在国外，学术报告的前后或间隙，组织者总会准备一些糕点及咖啡，让与会者能够在较轻松的氛围中进行交流。现在，在国内这一通常做法越来越普遍。这一事实其实说明信息交流的重要性不但体现在正式的学术场合，也点点滴滴表现在比较轻松的非正式的活动中。第三是跨学科合作的重要性。这一点已有许多事实证明，导电塑料的发现提供了一个新的例子，说明科学的发展已使学科的界限越来越模糊。而更重要的一点可能在于物理学的原理和研究方法在整个科学发展及其应用中的重要地位。其实，物理学与数学一样，是整个科学的基础。最后是理论和实验结合的重要性。塑料导电的机理有别于一般半导体，它的阐明就是理论物理学家苏武沛和J.R.Schrieffer（诺贝尔奖获得者）与实验物理学家黑格合作的结果。习题:在一维链中，构造一个Q=-e/2的拓扑孤子。谢谢！谢谢！