有机材料中光电转换过程的动力学研究

Materials science is a key discipline in today's world, the cheap and easy processing, and almost infinite chemical-tune capability make organic materials used in optoelectronic devices very attractive both for application and science purpose. Different from their inorganic counterparts, organic polymer materials have the quasi-one-dimensional π electron-conjugation bond structure. Due to the self-trapping of electron,the charge carriers in organic materials are self-trapped elementary excitations, such as soliton, polaron , bipolaron, and the photoluminescence particles, such as exciton and biexciton. These elementary excitations plays a crucial role in the photoelectric conversion, resulting in a series of novel photoelectric phenomena. The project is based on the unique nature of organic materials to investigate how the conjugation bond structure, electron correlation and phonon quantum fluctuations react to the energy spectra and photoelectric conversion process, to clarify the electron correlation effects on the formation, transportation, collision, recombination and conversion of different elementary excitations by using the molecular dynamics method. Together with the help of related experiments,understanding the photoelectric conversion process, searching for novel photoelectric conversion phenomena, finding out new mechanism of high-efficient photoelectric conversion.

材料是当今科学研究中最为关心的课题，有机材料作为新型的光电功能材料，具有可选择性强、成本低、制备简单等独特的优点。与无机材料不同，有机高分子材料具有独特的准一维π电子共轭键结构，电子的自陷使得有机材料中含有孤子、极化子、双极化子等电荷、自旋各异的载流子以及激子、双激子等与发光有关的载能子。这些元激发在光电转换过程中起着至关重要的作用，并由此产生一系列新颖的光电现象。本项目基于有机材料的独特性质，从静态的能谱结构和动态的分子动力学角度出发，研究共轭键结构、量子声子涨落，特别是电子关联效应如何影响各种元激发的生成、输运、复合、拆分以及相互的转换过程。结合相关实验，理解电子关联在光电（电光）转换过程中的作用，发掘全新的光电转换现象，探寻光电高效转换的新机理。

材料是当今科学研究中最关心的课题。有机材料作为新型的光电功能材料，具有高电导率、高发光效率、可选择性强、成本低、制备简单等独特的优点而受到学术上和工业上的特别关注。与无机材料不同，有机共轭聚合物是一类典型的准一维强关联电声系统：既有较强的电子关联，又有很强的电-声相互作用，由此产生一系列传统无机材料中所不具备的新颖光电现象。一方面由于强电-声相互作用，电子的激发会诱导晶格的畸变，从而生成各种自陷元激发，如激子、极化子、双极化子等。另一方面，较强的电子关联导致低激发态序的改变，使其吸收、发光等性质定性不同。共轭聚物中各种元激发性质的研究，对这些材料和器件的设计、制作和应用有着明确的指导意义。从理论的角度，一旦考虑了电子关联，这就是一个多体系统的演化问题，我们首先发展了含时密度矩阵重整化群方法(time-dependent density-matrix-renormalization-group, t-DMRG)和MCTDHF (multi-configurational time-dependent Hartree-Fock)方法，使之可以应用于关联电声系统。利用这些方法，我们特别关注于电子关联效应对各种元激发在电荷输运和光电/电光转换过程中所起的作用，从最基本的物理过程来理解光致载流子产生的机理、正负极化子对的复合、激子有效拆分的途经和机制等。我们发现（1）带相反电荷的电子-空穴极化子对复合过程中，电子间的库仑相互作用使得单态和三态间的简并消除，电子关联有利于单态激子的产生，其产率随电子关联强度的增大而很快增加。(2) 同样，电子关联在激子解体过程中也起着至关重要的作用，电子间的库仑相互作用有利于单态激子的解体而不利于三态激子的解体。在纯净的共轭聚合物链中，解体激子需要非常大的电场，而无序有效地降低了解体激子所需要的电场强度，可以有效的提高光电转换效率。另一方面，量子相变的研究一直是理论研究的热点。利用基于t-DMRG的方法，我们研究了低维关联模型中的一些尚有争论的问题。我们发现（3）在考虑了离子势的一维扩展Hubbard模型中，在已知的Mott绝缘体相和Band绝缘体相之间还存在一个自发的二聚化绝缘体BOI相，其占据了整个相图很小的一部分区域。在相互作用足够强的时候, 中间相BOI消失。通过计算电荷和自旋位置算符，我们得了更加精确的相边界并给出了完整的相图。