有机聚集体中激子扩散机制的理论研究

Exciton diffusion in organic aggregates is the key factor to determine the efficiency of organic optoelectronic devices. Theoretical investigation on the exciton diffusion mechanism can help us understand the relationship between aggregate structures and exciton diffusion properties, and realize controlling the diffusion length. However, there still exist several unclear factors over the exciton diffusion mechanism. For better understanding the mechanism, we will build an incoherent model based on Monte Carlo and Fermi's Golden Rule,which is fully dependent on material properties, and develop a coherent model based on fully quantum dynamic time-dependent wavepacket diffusion method, which can be used to large and multi dimensional systems. Then, we apply the two different models, by taking the system with long-range exciton diffusion length as example, to study the effect of electronic coherence on exciton diffusion in organic aggregates. Furthermore, by combining the quantum mechanics/molecular mechanics, molecular dynamics as well as statistic mechanics, we will also investigate the effects of dynamic disorder and environments on exciton diffusion. With the theoretical calculations, we expect to reveal the exciton diffusion mechanism in organic aggregates from multiple perspectives, and provide the foundation to design and control of efficient organic optical materials.

有机聚集体中的激子扩散性质是影响有机光电器件效率的重要因素。从理论角度深入探索其激子扩散机制，可以帮助人们理解激子扩散性能与结构的关系，并实现对激子扩散长度的可控性。但是，对于有机聚集体中的激子扩散机制，目前尚存在较多不明确的因素。为此，本项目将结合蒙特卡罗方法和费米黄金规则，构建一套完全基于材料自身性质的非相干激子跳跃模型，同时发展全量子动力学的含时波包扩散方法，令其成为适用于多维度、大尺度体系的相干激子扩散模型。然后，以具有远距离激子扩散长度的有机聚集体为例，同时利用两种模型，从头算地研究电子相干等效应对激子扩散性质的影响。并在这两个模型基础之上，进一步结合量子力学/分子力学、分子动力学和统计力学等方法，探索动态无序、环境因素等在不同激子扩散模型下的效应，从多个层次揭示有机聚集体中的激子扩散机制，为设计和调控高效的有机光学材料提高坚实的基础。

激子扩散性质是有机聚集体中的特殊电子过程之一，也是影响有机光电器件、有机光捕获体系等器件性能的重要因素。为了深入理解激子扩散性质与结构的关系，实现有机材料中激子扩散长度的可调控性，本项目从理论角度深入研究了有机聚集体中的激子扩散机制。首先，本人利用包含核量子振动效应的费米黄金规则公式，结合热振动关联函数方法，精确计算了分子间的能量转移速率，再使用蒙特卡洛动力学方法，构建了一套完全基于材料自身性质的包含核量子效应的非相干激子跳跃模型；同时，本人发展了全量子动力学的含时波包扩散方法，令其成为适用于多维度、大尺度体系的相干激子扩散模型。然后，同时利用多种模型，从头算地研究了一系列有机聚集体中的激子扩散性质及其微观机制，成功预测了有机聚集体中的激子扩散长度，并探讨了远程激子转移效应、量子核隧穿效应及相干效应对激子扩散性质的影响。此外，本人还推导出双线态激子通过能量转移作用变成三线态激子的电子过程机制，结合实验现象验证了这一新的激子能量转移机制的存在。