Εκπαιδευτικό πρόγραμμα για την περιοχή των εκσιτονίων (Μέρος Β): Επεξεργασία γεωμετρίας και οπτικών ιδιοτήτων.

1. Επεξεργασία του σχήματος του τομέα.

Στα πραγματικά συστήματα ομοενοποίησης μεγάλου όγκου, οι περιοχές των δοτών δεν είναι ούτε τέλεια σφαιρικές ούτε ομοιόμορφες. Το μέγεθός τους, το σχήμα και η συνδεσιμότητά τους ποικίλλουν σε νανοκλίμακα, και αυτά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά επηρεάζουν άμεσα την απόσταση που πρέπει να διανύσουν τα εξιτόνια πριν φτάσουν σε μια διεπαφή δότη-δέκτη. Επειδή το μοντέλο εξιτονίων-περιοχών είναι πλήρως τρισδιάστατο και βασίζεται σε πλέγμα, σας επιτρέπει να εξερευνήσετε πώς οι αλλαγές στη μορφολογία των περιοχών –πέρα από απλές διακυμάνσεις μεγέθους– επηρεάζουν τη μεταφορά και τη διάσπαση των εξιτονίων.

Για να τροποποιήσετε τη γεωμετρία του πεδίου, κάντε δεξί κλικ στο ενσωματωμένο αντικείμενο (στη σφαίρα στο προεπιλεγμένο παράδειγμα) στο κύριο παράθυρο προσομοίωσης. Εμφανίζεται το μενού περιβάλλοντος, όπως φαίνεται στην Εικόνα ??. Επιλέξτε "Επεξεργαστής πλέγματος" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή γεωμετρίας.

Μέσα στον επεξεργαστή πλέγματος, μπορείτε να επιλέξετε από μια βιβλιοθήκη προκαθορισμένων σχημάτων ή να εισαγάγετε τις δικές σας γεωμετρίες. Ο επιλυτής εκσιτονίων δεν εξαρτάται από την τοπολογία: εφόσον το σχήμα μπορεί να διαμεριστεί σε πλέγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως περιοχή δότη. Για λόγους επίδειξης, θα αντικαταστήσουμε τη σφαίρα με μια περιοχή σε σχήμα τσαγιέρας, η οποία έχει κλιμακωθεί σε νανομετρικές διαστάσεις. Παρόλο που σαφώς δεν είναι μια ρεαλιστική μορφολογία για ένα BHJ, αυτό το σκόπιμα πολύπλοκο, νανοκλίμακας σχήμα παρέχει έναν διαισθητικό τρόπο για να δούμε πώς η καμπυλότητα, η κοιλότητα και το τοπικό πάχος επηρεάζουν τις διαδρομές διάχυσης των εκσιτονίων και την διαχωρισμό στην επιφάνεια.

Επιλέξτε το σχήμα της τσαγιέρας κάνοντας κλικ στο κουμπί επιλογής βάσης δεδομένων σχημάτων (το κουμπί με τις τρεις τελείες) και, στη συνέχεια, κάντε διπλό κλικ στην τσαγιέρα. Κλείστε τον επεξεργαστή πλέγματος. Το κύριο παράθυρο προσομοίωσης ενημερώνεται αυτόματα, όπως φαίνεται στην Εικόνα ??.

Εκτελέστε την προσομοίωση όπως και πριν. Μόλις ολοκληρωθεί, μεταβείτε στην ενότητα "Έξοδος Εξκιτονίων" και ανοίξτε το αρχείο exciton.csv. Το προκύπτον πεδίο πυκνότητας εξκιτονίων εμφανίζεται στην Εικόνα ??. Παρόλο που το συγκεκριμένο σχήμα που χρησιμοποιείται εδώ είναι τεχνητό, η υποκείμενη φυσική είναι πανομοιότυπη με την σφαιρική περίπτωση: τα εξκιτόνια παράγονται εντός του δότη, διαχέονται στον τρισδιάστατο χώρο και απομακρύνονται στις διεπαφές όπου η διάσπαση είναι ισχυρή. Η αξία αυτής της προσέγγισης είναι ότι η γεωμετρία μπορεί να αντικατασταθεί με οποιοδήποτε σχήμα ενδιαφέρει, καθιστώντας το μοντέλο κατάλληλο για συστηματικές μελέτες "τι θα γινόταν αν" σχετικά με το πώς η μορφολογία του τομέα επηρεάζει τη μεταφορά εξκιτονίων και την αποτελεσματική δημιουργία φορτίου.

2. Οπτικές ιδιότητες

Οι οπτικές ιδιότητες στο μοντέλο της περιοχής εκσιτονίων καθορίζονται για κάθε αντικείμενο ξεχωριστά. Για να τις επεξεργαστείτε, κάντε δεξί κλικ είτε στην περιβάλλοντα στρώση είτε στην ενσωματωμένη περιοχή δότη και επιλέξτε "Επεξεργαστής αντικειμένων". Αυτό ανοίγει το παράθυρο του επεξεργαστή αντικειμένων που φαίνεται στην Εικόνα ??. Κάθε αντικείμενο μπορεί να συσχετιστεί με ένα συγκεκριμένο οπτικό υλικό και αυτά τα υλικά περιλαμβάνουν δεδομένα δείκτη διάθλασης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος (\(n,k\)). Σε μια πλήρη οπτική προσομοίωση, αυτές οι ιδιότητες του υλικού θα χρησιμοποιηθούν για να καθοριστεί πώς απορροφάται το φως χωρικά μέσα στη δομή και πώς παράγονται τα εκσιτόνια ως συνάρτηση της θέσης και του μήκους κύματος.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό, τα δεδομένα οπτικών υλικών (η τιμή \(n,k\) που έχει εκχωρηθεί σε κάθε αντικείμενο) δεν χρησιμοποιούνται σκόπιμα για τον υπολογισμό της απορρόφησης. Αντίθετα, η δημιουργία εξιτονίων καθορίζεται άμεσα χρησιμοποιώντας μια σταθερή συχνότητα δημιουργίας εξιτονίων. Αυτή είναι μια συνειδητή επιλογή μοντελοποίησης, σχεδιασμένη για να απομονώσει τη μεταφορά, την ανασυνδυασμό και τη διασύνδεση των εξιτονίων από την οπτική παρεμβολή και τις επιδράσεις που εξαρτώνται από το μήκος κύματος. Η αντίστοιχη διαμόρφωση ορίζεται στον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης, στον οποίο γίνεται πρόσβαση από την καρτέλα "Οπτικά" στο κύριο παράθυρο, και εμφανίζεται στην Εικόνα ??.

Στον οπτικό επεξεργαστή, το μοντέλο παραγωγής είναι επί του παρόντος ρυθμισμένο σε σταθερή τιμή. Οι ρυθμοί παραγωγής ανά αντικείμενο μπορούν να προβληθούν ανοίγοντας το αναπτυσσόμενο μενού που σχετίζεται με τη σταθερή τιμή και επιλέγοντας «Επεξεργασία σταθερής τιμής». Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή ρυθμού παραγωγής που εμφανίζεται στο σχήμα, ο οποίος καταγράφει τον καθορισμένο ρυθμό παραγωγής για κάθε αντικείμενο στη σκηνή. Στην τρέχουσα διαμόρφωση, στον δότη (σφαίρα ή τσαγιέρα) έχει εκχωρηθεί ένας ομοιόμορφος ρυθμός παραγωγής \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), ενώ στην περιβάλλουσα περιοχή έχει εκχωρηθεί μηδέν. Αυτό δημιουργεί μια χωρικά ομοιόμορφη πηγή εκσιτονίων που περιορίζεται στην περιοχή του δότη. Επειδή ο ρυθμός παραγωγής είναι σταθερός και γνωστός παντού, η προκύπτουσα πυκνότητα εκσιτονίων και τα πρότυπα διάσπασης μπορούν να ερμηνευτούν άμεσα όσον αφορά τις διαδικασίες διάχυσης, ανασυνδυασμού και απώλειας στην επιφάνεια, χωρίς την πρόσθετη ασάφεια που εισάγεται από τα φάσματα απορρόφησης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος.

Έχοντας οριστεί η γεωμετρία και η οπτική δημιουργία, το μοντέλο των περιοχών εκσιτονίων είναι πλέον ολοκληρωμένο. Μπορείτε να προχωρήσετε στην εξερεύνηση του τρόπου με τον οποίο οι αλλαγές στο σχήμα, το μέγεθος και τις παραμέτρους των εκσιτονίων επηρεάζουν την αποδοτικότητα διάσπασης που αναφέρεται στο exciton_sim_info.json.