聚硅烷传输性质的理论研究

近年来,聚硅烷导电高分子材料受到广泛重视,主要由于硅是公知的半导体,在电子工业上应用极广泛,另外硅是地球上贮量最丰富的元素,在寻找非碳功能材料时,聚硅烷自然是首选.聚硅烷的主链形成σ电子离域,通过掺杂能使这类材料的电导率在较宽的范围内变化,从而赋予他们非常独特的光化学和光物理性质,可用作导体与半导体、光导体材料、以及非线性光学材料、光致抗蚀剂、电致发光装置中的发光二级管等,有可能成为方兴未艾的信息技术所必需的集成电子器件或集成光子器件中的关键材料之一.同π共轭体系相类似,聚硅烷体系也只有在掺杂引入载流子的情况下才能导电.相比之下,对依赖于σ共轭体系的导电机理研究很少.国际上关于这类高分子的理论研究还处在刚刚起步阶段,只有少部分的理论工作是关于未掺杂聚硅烷体系的基态几何和能带结构的分析,大多集中在σ电子离域的验证上.而对于掺杂聚硅烷的理论工作更是少见报道,仅有少量的关于掺杂对聚硅烷寡聚体极子的几何结构和激发能影响的理论工作.有关掺杂后聚硅烷的电子输运性能研究国内外更是未见文献报道,因此开展这方面的理论研究工作是很必要的.本文运用密度泛函理论并结合非平衡格林函数方法,用ATK软件和Gaussian 03软件分别对未掺杂、电荷掺杂(Si12+)、B原子和P原子掺杂(Si5Bsi6和Si5PSi6)的四种聚硅烷寡聚体进行了传输性质的比较性理论研究.首先,为了更真实的模拟电场情况下的电子的性质,本文应用Gaussian程序在6-31+G(d)基组和BH&HLYP泛函下,分别在电场0.0,0.68×108,1.36×108,2.03×108,2.71×108,3.38×108和4.06×108V·m-1下对四种聚硅烷进行了几何结构优化,在优化的几何构型和相同的计算方法基础上进行了TDDFT激发态光谱的计算和自然键轨道NBO的计算.然后对优化后的聚硅烷在ATK程序下用Au(111)-(3×3)电极分别计算了偏压为0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0和1.2V下的电子输运性质.计算结果表明,电荷掺杂的聚硅烷Si12+和杂原子掺杂的聚硅烷(Si5BSi6和Si5PSi6)的传输性质有着明显的差异,得到了与实验相一致的结论.即电荷掺杂的聚硅烷由于电子传输通道被破坏,所以它的导电性很差,而Si5BSi6和Si5PSi6则表现出了很好的导电性能,并且杂原子掺杂的聚硅烷还表现出了NDR效应.我们通过传输谱图、MPSH图、激发态图谱、能带和共轭效应对上述现象进行了详细讨论.由此可见,B原子和P原子掺杂的聚硅烷可以作为电子器件的优良材料.