Guide pratique sur les domaines d’excitons (partie B) : modification de la géométrie et des propriétés optiques.

1. Modification de la forme du domaine.

Dans les systèmes réels de hétérojonctions en volume, les domaines donneurs ne sont ni parfaitement sphériques ni uniformes. Leur taille, leur forme et leur connectivité varient à l’échelle du nanomètre, et ces caractéristiques géométriques influencent directement la distance que les excitons doivent parcourir avant d’atteindre une interface donneur-accepteur. Étant donné que le modèle domaine-exciton est entièrement tridimensionnel et basé sur une grille, il permet d’étudier comment les modifications de la morphologie des domaines – au-delà de simples variations de taille – affectent le transport et la dissociation des excitons.

Pour modifier la géométrie du domaine, faites un clic droit sur l’objet intégré (la sphère dans l’exemple par défaut) dans la fenêtre principale de simulation. Le menu contextuel s’affiche dans la figure ??. Sélectionnez « Éditeur de maillage » pour ouvrir l’éditeur de géométrie.

Dans l’éditeur de maillage, vous pouvez choisir parmi une bibliothèque de formes prédéfinies ou importer vos propres géométries. Le solveur d’excitons est indépendant de la topologie : tant que la forme peut être maillée, elle peut être utilisée comme domaine donneur. À titre d’illustration, nous allons remplacer la sphère par un domaine en forme de théière, dont les dimensions sont réduites à l’échelle nanométrique. Bien qu’il ne s’agisse clairement pas d’une morphologie réaliste pour une hétérojonction organique en couches minces, cette forme nanoscopique délibérément complexe offre un moyen intuitif de comprendre comment la courbure, la concavité et l’épaisseur locale influencent les trajets de diffusion des excitons et la dissociation interfaciale.

Sélectionnez la forme de la théière en cliquant sur le sélecteur de base de données des formes (le bouton avec les trois points), puis double-cliquez sur « théière ». Fermez l’éditeur de maillage. La fenêtre principale de simulation se met à jour automatiquement, comme indiqué dans la figure ??.

Exécutez la simulation comme précédemment. Une fois terminée, accédez à la section « Exciton Output » et ouvrez le fichier exciton.csv. Le champ de densité d’excitons résultant est présenté dans la figure ??. Bien que la forme spécifique utilisée ici soit artificielle, la physique sous-jacente est identique à celle du cas sphérique : les excitons sont générés à l’intérieur du donneur, se diffusent dans le domaine tridimensionnel et sont éliminés aux interfaces où la dissociation est forte. L’intérêt de cette approche est que la géométrie peut être remplacée par n’importe quelle forme, ce qui rend le modèle particulièrement adapté à des études systématiques visant à déterminer comment la morphologie du domaine influence le transport des excitons et la génération efficace de charges.

2. Propriétés optiques

Dans le modèle du domaine d’excitons, les propriétés optiques sont attribuées à chaque objet individuellement. Pour les modifier, faites un clic droit sur la couche environnante ou sur le domaine donneur intégré, puis sélectionnez « Éditeur d’objet ». Cela ouvre la fenêtre de l’éditeur d’objet, comme illustré dans la figure ??. Chaque objet peut être associé à un matériau optique spécifique, et ces matériaux comprennent des données sur l’indice de réfraction en fonction de la longueur d’onde (\(n,k\)). Dans une simulation optique complète, ces propriétés des matériaux seraient utilisées pour déterminer comment la lumière est absorbée spatialement dans la structure et comment les excitons sont générés en fonction de la position et de la longueur d’onde.

Dans ce tutoriel, les données relatives aux propriétés optiques des matériaux (la valeur \(n,k\) attribuée à chaque objet) ne sont pas utilisées intentionnellement pour calculer l’absorption. Au lieu de cela, la génération d’excitons est définie directement en utilisant un taux de génération d’excitons constant. Il s’agit d’un choix de modélisation délibéré, conçu pour isoler le transport, la recombinaison et la dissociation interfaciale des excitons des interférences optiques et des effets liés à la longueur d’onde. La configuration correspondante est définie dans l’éditeur de simulation optique, accessible via l’onglet « Optique » dans la fenêtre principale, et est illustrée dans la figure ??.

Dans l’éditeur optique, le modèle de génération est actuellement réglé sur une valeur constante. Les taux de génération pour chaque objet peuvent être consultés en ouvrant le menu déroulant associé à la valeur constante et en sélectionnant « Modifier la constante ». Cela ouvre l’éditeur de taux de génération, illustré dans l’encadré de la figure, qui affiche le taux de génération défini pour chaque objet de la scène. Dans la configuration actuelle, le domaine donneur (sphère ou théière) se voit attribuer un taux de génération uniforme de \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), tandis que la couche environnante se voit attribuer une valeur de zéro. Cela produit une source d’excitons spatialement uniforme, confinée à la région du donneur. Étant donné que le taux de génération est fixe et connu partout, la densité d’excitons et les schémas de dissociation qui en résultent peuvent être interprétés directement en termes de diffusion, de recombinaison et de processus de perte interfaciale, sans l’ambiguïté supplémentaire introduite par les profils d’absorption dépendant de la longueur d’onde.

Une fois la géométrie et la génération optique définies, le modèle du domaine d’excitons est désormais complet. Vous pouvez maintenant étudier comment les modifications de la forme, de la taille et des paramètres des excitons affectent l’efficacité de la dissociation, comme indiqué dans exciton_sim_info.json.