自旋一轨道耦合作用对共轭导电聚合物电子结构性质的影响

自旋一轨道耦合作用对共轭导电聚合物电子结构性质的影响

摘要:本章从理论上计算了Rashba自旋－轨道相互作用对有机聚合物电子结构性质的影响。发现自旋－轨道相互作用使一维有机物中自旋沿方向的能带与自旋沿方向的能带发生劈裂(一维有机链沿方向,Rashba电场沿方向),这个劈裂不同于塞曼效应导致的能级劈裂,它并不消除自旋兼并;并使有机物聚合物的能带变宽、带隙变小,但由于有机物中自旋－轨道相互作用比较弱,变化并不明显。

关键词:自旋－轨道耦合作用一维有机聚合物电子结构性质引言

自从巨磁电阻(GMR,Giant magnetores istance)现象发现以来,自旋电子学已成为凝聚态物理和微电子学中一个快速增长的领域。自旋电子学基于磁学和微电子学,它是研究电子自旋的注入、输运、控制、探测等一门全新的学科。1990年,Datta和Das提出了自旋场效应管(FET field-effect transistor)的设想,利用外加电场通过Rashba自旋－轨道耦合作用来有效的控制电子的自旋进动[1]。从此自旋－轨道相互作用成为半导体自旋电子学中的研究热点。Rashba自旋－轨道耦合作用在二维电子气中有大量的理论研究,实验上也实现了利用外加电场来控制Rashba作用的强度。自旋－轨道耦合作用在一维量子线系统中也有研究。Rashba自旋－轨道相互作用对于准一维电子气系统的能带结构、电子波函数、自旋角速度与线速度以及电导都会产生一

定的影响。有机聚合物中的自旋－轨道耦合作用比较微弱,在以前的研究中很少提到,但在实际情况下,自旋－轨道耦合作用的影响是确实存在的。

本章我们针对顺式聚乙炔系统,在SSH模型的基础上,研究自旋－轨道耦合作用对有机共轭聚合物电子结构性质的影响。

1 模型和公式

通过傅立叶变换可以得到电子能谱:

其中表示自旋－轨道耦合作用的大小,是晶格常数,为格点等距离排列时最近邻格点的电子跃迁积分,是电声耦合常数,是发生二聚化后格点(CH基团)相对于等距离排列时的位置偏离。

一维有机聚合物自旋沿方向的能带与自旋沿方向的能带在方向发生了劈裂(一维有机聚合物沿方向,Rashba电场沿方向)。这个劈裂不同于塞曼效应导致的能级劈裂,它并不消除自旋兼并。自旋－轨道相互作用使一维有机物系统的能带变宽,带隙变窄,但由于有机物中的自旋－轨道耦合作用比较弱,整个能带结构的变化并不明显。有机聚合物中的载流子,如极化子、双极化子,其电荷密度与晶格位形也没有发生明显的变化。

3 一维共轭导电聚合物的电子波函数

我们研究一下自旋－轨道相互作用使有机聚合物系统波函数发生的变化。具体计算中,取格点数,系统对应100条能级,每条能级是两两兼并的,即有200个波函数(Φμ，μ=1，2，3……200),每两个波函数对应一条能级。

参考文献

[1] S.Datta and B.Das,Appl.Phys. Lett.56,665(1990).

[2] A.J.Heeger,S.Kivelson,J.R.Schrieffer,and W.P.Su,Rev.Mod.Phys.60,781(1988).