Q有机聚合物材料中光生载流子传输的跳跃输运

本文描述了跳跃模型在有机聚合物光折变材料中空间电荷场理论上的应用.在Feinberg针对无机光折变晶体提出的电荷传输过程模型-跳跃模型(Hopping Model)基础上,根据有机聚合物光折变材料的特点,考虑了光生载流子产生过程中的电子空穴对的复合过程(对复合和双分子复合过程)和激发光场的频率(即激发光子的能量)对光生载流子产生的影响,给出了有机聚合物材料中光生载流子产生的量子效率和光生载流子的分布密度及其跳跃率的新表示,完成外加调制光场和静电场同时作用下有机聚合物材料中光生载流子传输的跳跃方程,得到空间电荷场建立的动态过程和稳态时的解析表达式及其数值计算结果.     

基于分叉修正面跳跃轨线的绝热和透热布居计算方法

对标准散射问题的非绝热动力学模拟,分叉修正面跳跃已被证明是一种可提高传统最少面跳跃性能的可靠方法[J. Chem. Phys. 150,164101 (2019)]. 本文研究了如何分析分叉修正面跳跃轨线,以得到可靠的绝热和透热布居. 研究了一系列一维二能级散射模型,以量子精确解和最少面跳跃结果为参考,发现分叉修正面跳跃方法可以得到接近精确解的含时布居. 特别地,不同的轨线分析方法在不同的表象下会得到明显不同的结果. 具体来说,轨线占据数方法在计算绝热态布居时表现更好,而波函数方法可以得到更可靠的透热态布居.     

非绝热分子动力学的量子路径模拟

基于近期发展的经典-量子混合模拟非绝热分子动力学的量子路径方案,本文对5个典型势能面模型进行了模拟,包括单交叉模型、双交叉模型、拓展耦合模型、哑铃模型以及双弓模型.由于难以在严格意义上得到退相干速率,数值模拟中,我们比较了三个不同的退相干速率公式,包括冻结高斯波包近似退相干速率、能量分辨速率以及力分辨速率.在模拟过程中,我们恰当地处理了势能面跳跃时的能量守恒和力的反向问题.通过与全量子动力学模拟的精确结果进行对比发现,对于结构较简单的势能面模型,三种退相干速率都能得到较好的结果;然而对于较复杂的势能面模型,由于复杂量子干涉的原因,与其他混合经典-量子动力学方案类似,量子路径方案仍然难以得到较准确的结果.如何发展更加有效的混合经典-量子模拟方案,是未来研究的重要课题.     

量子阱光学过程的瞬态特性

当量子阱材料注入(例如光注入)大量非平衡载流子时,非平衡载流子的动力学过程可分为两个过程:一是高激发过剩非平衡载流子的快速弛豫过程,即热载流子通过发射纵向光学声子(LO声子)与晶格交换能量、释放能量.描述这个过程的主要物理量是LO声子的散射时间常数,其时间域大约为几个ps到几十个ps,取决于激发强度、量子阱宽度等.另一个过程是弛豫到导带底(价带顶)的载流子通过辐射复合放出光子,即辐射复合发光.描述这个过程的主要物理量是发光寿命。 一、量子阱中辐射复合发光 动力学过程研究 在量子阱结构中,载流子复合发光动力学过程和体材料…     

金属/掺杂聚合物/金属结构中载流子的注入与输运

基于紧束缚的Su-Schrieffer-Heeger模型,利用非绝热的动力学方法,研究了金属/聚合物/金属三明治结构中载流子注入与输运的动力学过程,其中,聚合物中含有一个掺杂离子. 电子波函数随时间的演化满足含时Schrdinger方程,晶格运动满足经典的牛顿运动方程. 研究发现,掺杂离子对注入到聚合物中的载流子的作用类似一个控制阀门,阀门的状态与电场的强度和偏压的大小密切相关. 关键词： 载流子输运 波包 非绝热动力学     

MAPbI_(3-x)Br_x钙钛矿薄膜中溴梯度对界面电荷转移的促进作用（英文）

混合卤素钙钛矿由于具有优异的光物理性质成为了光电子领域应用中的明星材料.因此,钙钛矿材料中光生载流子动力学的探究和调控对于进一步提升材料的性能具有重要意义.本文通过表面离子交换法制备了具有溴梯度的MAPbI_(3-x)Br_x钙钛矿薄膜,并对其内部载流子传输及界面电荷转移动力学过程进行了系统的研究.在MAPbI_(3-x)Br_x薄膜中,溴离子梯度分布所导致的能带梯度能有效促进光生空穴在薄膜内部的传输过程及在界面的提取过程.同时,由于卤素离子交换的后处理方法对薄膜表面起到了修饰作用,薄膜界面处的本征电子转移速率也得到了显著的提升.研究表明,在通过表面后处理方法制备的混合卤素钙钛矿薄膜中,有可能同时实现界面电子和空穴转移速率的提升,这对于进一步提升钙钛矿太阳能电池的能量转换效率具有一定的启发作用.     

太阳能电池材料缺陷的理论与计算研究

缺陷调控是影响半导体太阳能电池光电转换效率的关键因素.缺陷与掺杂直接决定半导体中载流子的类型、浓度、传输以及光生载流子的非辐射复合.真实半导体中存在的缺陷种类繁多,浓度各异,使得缺陷,特别是单个点缺陷性质的实验表征非常困难,因而理论与计算在缺陷研究中起到了重要的作用.本文首先介绍了基于第一性原理的缺陷计算方法,然后以典型太阳能电池材料CdTe, Cu(In, Ga)Se2, Cu2ZnSnS(Se)4和CH3NH3PbI3为例,详细介绍了如何从理论计算角度认识和调控太阳能电池材料的缺陷性质.     

MAPbI3-xBrx钙钛矿薄膜中溴梯度对界面电荷转移的促进作用

混合卤素钙钛矿由于具有优异的光物理性质成为了光电子领域应用中的明星材料. 因此,钙钛矿材料中光生载流子动力学的探究和调控对于进一步提升材料的性能具有重要意义. 本文通过表面离子交换法制备了具有溴梯度的MAPbI_3-xBr_x钙钛矿薄膜,并对其内部载流子传输及界面电荷转移动力学过程进行了系统的研究. 在MAPbI_3-xBr_x薄膜中,溴离子梯度分布所导致的能带梯度能有效促进光生空穴在薄膜内部的传输过程及在界面的提取过程. 同时,由于卤素离子交换的后处理方法对薄膜表面起到了修饰作用,薄膜界面处的本征电子转移速率也得到了显著的提升. 研究表明,在通过表面后处理方法制备的混合卤素钙钛矿薄膜中,有可能同时实现界面电子和空穴转移速率的提升,这对于进一步提升钙钛矿太阳能电池的能量转换效率具有一定的启发作用.     

非绝热电子——离子耦合动力学进展

虽然Born-Oppenheimer近似的运用取得了巨大的成功,但是在非绝热跃迁过程中Born-Oppenheimer近似不再成立,所以需要重点描述电子与核之间的耦合运动。在光物理、光化学、强场物理以及离子碰撞中,非绝热过程极为常见。电子激发是非绝热过程的核心,这些过程与基态和激发态均有密切关系。原则上全量子力学方法可以准确处理非绝热电子–离子耦合,但是目前只局限于两三个原子构成的小体系。严格求解量子力学所需的计算量随着体系的增大而呈指数级增加,因此精确的量子力学处理多原子体系的非绝热过程是非常困难的。近几十年来,国内外多个小组发展了许多不同的方法来研究非绝热过程。本文重点介绍了非绝热混合量子–经典方法,即只对原子核部分的量子力学作经典极限,保留电子的量子效应。常用的混合量子–经典方法包括了Ehrenfest方法、面跳跃方法、杂化方法(即结合了Ehrenfest和面跳跃优点的方法)、基于Wigner转换的刘维尔方法。但是当原子核的量子效应显著时,非绝热动力学必须通过其它更严格的方法处理,比如从头计算多次产生方法。本文希望向刚接触非绝热动力学的同行简洁明了地阐述以上各种方法的基本思想、数值实现过程、优缺点和最新研究进展。     

微波吸收法研究ZnO光电子衰减过程

微波吸收无接触测量技术可以用于半导体粉体材料、微晶材料等研究光生载流子衰减过程。本文采用微波吸收法在室温下分别测量了ZnO纳米材料和微晶材料的光电子衰减过程。发现在紫外激光短脉冲激发下,两种材料的导带光电子寿命有很大的差异,ZnO微晶粉体材料的光电子寿命为50ns,而ZnO纳米材料的光电子寿命仅为10ns。分析认为纳米ZnO的光电子寿命缩短是由于纳米ZnO晶体的表面积远远大于体材料的表面积,纳米材料的表面形成了大量的缺陷能级,加速了光电子的表面复合,缩短了光电子的寿命。纳米材料内部缺陷增多和量子限域效应同样会缩短光电子的寿命。     

Quantum Trajectory Approach to Molecular Dynamics Simulation with Surface Hopping

In this work we propose a quantum trajectory approach to the powerful molecular dynamics simulation with surface hopping, from an insight that an effective “observation” is actually implied in the simulation through tracking the forces experienced, just like checking the meter's result in quantum measurement process. This treatment can build the nonadiabatic surface hopping on a physical foundation, instead of the usual fictitious and conceptually inconsistent hopping algorithms. The effects and advantages of the proposed scheme are preliminarily illustrated by a two-surface model system.     

Nonadiabatic Car-Parrinello molecular dynamics

An extension of Car-Parrinello (CP) molecular dynamics for efficient treatment of electronically nonadiabatic processes is presented. The current approach couples the S1 restricted open-shell Kohn-Sham excited state to the S0 ground state using a surface hopping scheme. Efficient evaluation of the nonadiabatic couplings is achieved by exploiting the available wave function time derivatives. Since the computational cost scales linearly with the number of excited states, the technique makes possible nonadiabatic ab initio simulations of systems of similar complexity to those typically studied by standard CP methods. It is thus ideally suited to study the photochemistry of large molecules, particularly in condensed phases.     

The effect of interface hopping on inelastic scattering of oppositely charged polarons in polymers

The inelastic scattering of oppositely charge polarons in polymer heterojunctions is believed to be of fundamental importance for the light-emitting and transport properties of conjugated polymers. Based on the tight-binding SSH model, and by using a nonadiabatic molecular dynamic method, we investigate the effects of interface hopping on inelastic scattering of oppositely charged polarons in a polymer heterojunction. It is found that the scattering processes of the charge and lattice defect depend sensitively on the hopping integrals at the polymer/polymer interface when the interface potential barrier and applied electric field strength are constant. In particular, at an intermediate electric field, when the interface hopping integral of the polymer/polymer heterojunction material is increased beyond a critical value, two polarons can combine to become a lattice deformation in one of the two polymer chains, with the electron and the hole bound together, i.e., a self-trapped polaron-exciton. The yield of excitons then increases to a peak value. These results show that interface hopping is of fundamental importance and facilitates the formation of polaron-excitons.     

Trajectory surface hopping within linear response time-dependent density-functional theory

A fewest switches trajectory surface hopping algorithm based on linear response time-dependent density-functional theory is developed and implemented into the plane wave ab initio molecular dynamics package CPMD. A scheme to calculate nonadiabatic couplings using a multi determinantal approximation of the excited state wave function is introduced. The method is applied to the study of the photorelaxation of protonated formaldimine, a minimal model of the rhodopsin chromophore retinal. A good agreement of the structural and dynamic behavior is found with respect to state averaged multiconfiguration self consistent field based trajectory surface hopping.     

二硫化钼纳米点中的缺陷辅助载流子俘获超快动力学

二硫化钼纳米点正在成为有潜质的半导体材料用于光电设备的应用.然而,关于对其中激子动力学的研究却很少.本文利用飞秒瞬态吸收光谱学来研究二硫化钼纳米点的载流子动力学.结果显示,缺陷辅助的载流子再复合过程与观测到的动力学相符,通过俄歇散射对光激载流子进行俘获至少存在两种不同俘获速率的缺陷.四个过程参与了载流子驰豫,在受到光激发后,立即在~0.5 ps内载流子冷却,然后大部分载流子被缺陷快速俘获,随着泵浦能量的增加,该过程对应的时间从~4.9 ps增加到~9.2 ps,这可以用缺陷态的饱和来解释.接下来,拥有相对慢的载流子俘获速率的其它类型缺陷对小部分载流子进行俘获,该过程约65 ps.最后,剩余的少量载流子通过直接带间跃迁发生电子-空穴再复合,时间约为1 ns.研究结果可以深入了解二硫化钼纳米点中的载流子动力学基本原理,引导其更多的应用.     

Improved method for depth profiling of multilayer structures

A modified, improved method has been developed for the dissolution of semiconductor materials containing a GaAlAs layer. This modified method involves the alternate application of anodic and cathodic processes in order to produce an arsenic-free surface for the carrier concentration measurement.

The advantageous features of this method are demonstrated by comparison of the depth profiles of various semiconductor structures obtained by conventional and modified techniques.     

高压下低维材料的光学特性调控

压力作为独立于物质温度和组分的热力学参量,为物质科学的研究和创新提供了新的维度,已成为发展新概念、创造新理论及探索新材料的重要源泉。本文主要概述了作者近年来在高压下低维材料的光学特性调控方面所取得的一些进展。通过压力改变激子结合能和卤素八面体的扭曲行为,实现了低维卤化物钙钛矿纳米材料发光从“0”到“1”的突破,提出了压力诱导发光的概念;通过引入压力效应,利用压力对纳米材料表面配体的调控,改变了表面配体与CdSe量子点的相互作用和能级耦合,促进了Hirshfeld电荷转移,从而实现了CdSe量子点的荧光大幅度增强近一个数量级;借助高压手段调控能带结构,成功实现了CdSe/CdS半导体纳米晶由准Ⅱ型核壳结构向Ⅰ型核壳结构的构型转变。上述工作加深了对发光材料在极端压缩条件下构效关系的深入理解和认识,研究成果为设计和制备具有特定功能的低维材料提供了新方法。