有机材料中的电荷与自旋载体以及激子的运动过程模拟

Organic energy materials are at the frontier of research in the field of optoelectronics. Due to the characteristics of organic materials, such as lattice self-trapping, dynamic disorder, orbital hybridization, etc. the charge, spin and exciton transports show novel behaviors distinguishing from traditional semiconductors. For instance, the mobility of charge carriers exhibits from bandlike to hopping behaviors. In this context, it is definitely valuable to investigate the underlying physical and chemical mechanisms, which help us to establish a comprehensive picture for the transports. So far, there have emerged many theoretical approaches and models. Each of them provides an individual explanation for the experiments, but they are still diverse and inconsistent with each other. Herein, we then propose to systematically study the carrier and exciton transport, charge transfer, device structure and interfacial effect, and spin dynamics in organic optoelectronic materials. We combine the existing theories to uncover the new effect, mechanism and application for the light-electron transition. We aim to provide fundamental support from theoretical perspective for the advancements of organic photovolatic materials.

有机能源材料是光电领域的前沿研究课题。有机材料所特有的晶格自陷、动态无序、轨道杂化等效应，使其中的电荷、激子、自旋输运过程体现出许多区别于传统的独特性质，比如其载流子迁移率随着温度变化，体现出从能带输运向跃迁输运转换的明显特征。研究这些新奇现象背后的物理、化学机理，能够帮助我们建立起一个完整的描述输运的物理图象。然而到目前为止，研究有机光电材料的理论方法虽然很多，却纷繁复杂，互相之间并不完全自洽，对实验结果的解释也存在着诸多矛盾。为此，本项目提出将多种方法进行系统而全面的梳理，研究有机光电材料中的载流子激子输运、电荷转移、器件结构与界面效应、自旋动力学等，发掘全新的光电转换现象，探寻光电转换的新机理，探索光电转换新的实现途径，为相关实验的发展提供可靠的理论支持。

本项目的利用微观输运模型，结合第一性原理计算和器件模拟等多种理论研究手段，系统而全面地研究有机材料光电转换过程中的电荷、激子、自旋相关的输运和动力学性质。总结起来，本项目取得了三个方面的重要进展： . (1) 针对有机材料的特殊性质，探索其材料和器件的新机理。. 针对D-A混晶体系，我们从A-D-A模型出发，考虑分子的中心桥联作用，提出了电荷传输的超交换模型；提出了有机光伏中的超快长程电荷分离的新机制；阐述了超大开路电压损失的界面效应。提出了超越Marcus理论的量子核隧穿模型及其负同位素效应，得到实验证实。提出了量子热机驱动有机光伏激子相干扩散的新机制。提出了非相干电荷与相干自旋结合的有机i磁阻模型。. (2) 建立了系统而有效的理论方法。. 我们提出了矩阵乘积态算法下的内空间微扰理论来代替费时的迭代对角化方法；发展了针对双声子库模型的密度矩阵重正化群的对称优化算法；发展了含CT分量的离域激子单态裂分的新模型。整合了电荷输运软件，所开发的软件MOMAP（分子材料性能）得到国内外同行的应用。. (3) 与实验紧密联系的相关理论。. 采用量子与经典结合的计算方法，发现若干带孤对电子的分子之间的静电相互作用会改变分子晶体低能级激发态的成分，从而诱导室温有机磷光。在次基础上，与实验合作，设计了一系列高效长寿命的有机磷光体系。 阐述了新型钙钛矿电池中的载流子复合机制。从实验现象出发提出了三线态-极化子碰撞的高效有机发光新原理。 . 共发表SCI论文43篇。共培养8名博士，3名博士后出站。本项目取得的若干成果在本重大研究计划中期评估中被列为理论机理方面的亮点成果。