Органик материалаар хийсэн нарны хавтангийн гэрлийг цэнэг
болгон хувиргагч нь нүүрстөрөгчид суурилсан полимерүүд бөгөөд эдгээр нь
хувиргасан цэнэгийг акцепторт дамжуулдаг донор гэж ойлгох хэрэгтэй. Материалын
энэ төрөл нь асар их нөөц бололцоотой боловч үүнийг нэвтрүүлэхийн тулд цэнэг
полимерүүдээр дамжих, зөөгдөх үйл явцыг сайн ойлгох хэрэгтэй. Гронингений их
сургуулийн эрдэмтэд молекулын динамикийн симуляцийг квант тооцоололтой хослуулан
цэнэг дамжуулалт нь хэрхэн явагддагийг тооцоолж, туршилтын үр дүнг тайлбарлах
онолын ойлголтуудыг танилцуулжээ. Тэд үр дүнгээ “Journal of Physical Chemistry
C” сэтгүүлд хэвлүүлсэн байна.
Энэ төрлийн нарны хавтан нь цахиурт суурилсан нарны хавтангаас
илүү нэмгэн бөгөөд уян хатан, үйлдвэрлэхэд хялбар байдаг. Нарны хавтангийн үр
ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд цэнэг хавтангийн полимер хальсаар хэрхэн дамждагийг
ойлгох нь маш чухал юм. Энэ хальс нь электрон донорууд болон электрон акцепторуудаас
бүрддэг байна. Цэнэг нь ороолдсон полимер гинжний дагуу зөөгддөг ба 100 -аас
бага фемтосекундийн хугацаанд донороос акцепторт шилждэг байна. Тиймээс энэ
процессыг ойлгохын тулд онолын судалгаа, симуляци хийх хэрэгтэй болжээ.
Энэ судалгаанд хагас дамжуулагч P3HT донор болон PCBM (C60 fullerene) акцестораас бүрдсэн материаллыг авч үзсэн байна. Судалгаагаар энэ материал нь энергийг хэрхэн барьж, зөөж байгааг ойлгохын тулд цэнэг хэрхэн энэ материалаар дамжиж байгааг мэдэхийг хүссэн байна. Хэрэв үүнийг сайн ойлгож чадвал энергийг хянах боломжтой байж магадгүй юм. Энэ материалын туршлагын судалгаа нь зөвхөн балк процессын хувьд зарим мэдээллүүдийг өгдөг. Тиймээс энэ материал дахь молекулуудын хөдөлгөөнийг тодорхойлохын тулд нягтын функцийн онолтой молекулын динамик симуляцийг хослуулсан байна. Эдгээр онолын тооцоонд 12 мономерээс бүрдсэн полимерүүдийг ашигласан ба тус материал дахь цэнэгийн сэргээгдэлт хэрхэн явагддагыг судлах зорилгоор донор дээр анхаарлаа хандуулсан байна. Молекулын динамик симуляци нь дулааны нөлөөллөөс шалтгаалан үндсэн төлөвийн хөдөлгөөнийг харуулсан байна. Симуляцийг 12.5 пекосекундийн хугацаатай явуулсан ба энэ хугацаа нь фемтосекундийн хугацаанд явагдах цэнэгийн дамжуулалтыг судлахад хангалттай гэж үзсэн байна.
Зураг. P3HT/PCBM материал
‘Дараагийн алхам бол эдгээр молекулыг квантын онолоор тайлбарлах явдал юм’ гэж зохиогч үзжээ. Үүнийг хийхийн тулд тэрээр димер бүтцээс эхэлсэн байна. ‘Полимер гинж дэх ойрхон байрлах хоёр мономер нь хоорондоо харилцан үйлчлэх ба бие биетэйгээ үйлчилдэг. Энэ нь хосын энергийн түвшний хуваагдлыг үүсгэдэг’ гэж зохиогч тайлбарласан байна. Зохиогчид тус системийн талаарх бүх мэдээллийг агуулсан Гамильтоны хэдбэртэй димержилтийн энергийн матриц байгуулжээ. Хоёр мономер нь параллель хэлбэртэй зэрэгцэх үед тэр хоёр хосолж, хоорондоо харилцан үйлчилдэг. Гэхдээ хоёр мономер нь 90° өнцөгтэй зэрэгцэх үед харилцан үйлчлэлийн энерги нь хамгийн бага байдаг. 90° өнцөг нь молекулын бүтцэд нугалаа үүсгэдэг бөгөөд энэ нь полимер гинжний дагуу энерги дамжуулахад саад болдог байна. 845 полимерээс бүрдсэн системийн симуляцийн дүн шинжилгээгээр полимерүүдийн тал орчим нь бүрэн зэрэгцэж байрласан бол тал нь ихэвчлэн нэгээс хоёр нугалаатай байгааг харуулсан байна. Димержилтийн тооцооноос 6 димер бүтцийг ашиглан 12 мер агуулсан системийн хувьд хөдөлгөөнийг тооцоолсон байна. Эдгээр димерүүд нь янз бүрийн өнцөгтэй байсан байна. Эдгээр тооцоонууд нь полимерийн дагуух энергийн түгэлтийг харуулсан ба акцептор болон донорын хольцын спектрийн сигнал дээр тус материалаас үүссэн орчны нөлөөг тодорхойлоход ашиглах бодит загварыг өгсөн байна. Хэдийгээр энэ загвар нь хязгаарлагдмал боловч зөвхөн мономерууд нь хөрштэйгөө шууд харилцан үйлчлэх боломж олгодог тул симуляцийн үр дүн нь туршилтын үр дүнгийн талаар чухал ойлголтуудыг өгнө гэж найдаж байгаа юм. Энэхүү тооцоо нь эхлэлийн шат бөгөөд энэ холимог материалд зориулж хийгдсэн симуляцийн анхны тохиолдол юм. Энэ нь эдгээр судлаачид P3HT/PCBM хольцтой материалын туршилтын судалгаанаас үүссэн спектрүүдийг тайлбарлахад тусалж чадна гэсэн үг юм. Одоо энэ материал дээрх донороос акцептор руу цэнэг хурдан шилжих процессыг харах боломжтой болжээ.
Илүү дэлгэрэнгүй мэдээллийг, Elisa Palacino-González, Thomas L. C. Jansen. Modeling the Effect of Disorder in the Two-Dimensional Electronic Spectroscopy of Poly-3-hexyltiophene in an Organic Photovoltaic Blend: A Combined Quantum/Classical Approach. The Journal of Physical Chemistry C, 2023; DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c01080, , өгүүллээс уншина уу.
Эх сурвалж: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230316114032.htm
Мэдээ бэлтгэсэн: Симуляци, тооцооллын салбар – ЭША М.Чагдаржав