엑시톤 도메인 튜토리얼 (Part B): 기하 및 광학 특성 편집

1. 도메인 형상 편집

실제 벌크 헤테로접합 시스템에서 도너 도메인은 완전한 구형도 아니고 균일하지도 않습니다. 이들의 크기, 형상, 그리고 연결성은 나노미터 스케일에서 변하며, 이러한 기하학적 특징은 엑시톤이 도너–억셉터 계면에 도달하기 전에 얼마나 멀리 확산해야 하는지에 직접적인 영향을 줍니다. 엑시톤 도메인 모델은 완전한 3차원 메시 기반이므로, 단순한 크기 변화 이상으로 도메인 형태의 변화가 엑시톤 수송과 해리에 어떤 영향을 미치는지 탐구할 수 있습니다.

도메인 기하를 수정하려면 기본 시뮬레이션 창의 내장 객체(기본 예제에서는 구)를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다. 컨텍스트 메뉴는 Figure ??에 나와 있습니다. Mesh editor를 선택하여 기하 편집기를 엽니다.

메시 편집기 내에서 미리 정의된 형상 라이브러리에서 선택하거나 사용자 정의 기하를 가져올 수 있습니다. 엑시톤 솔버는 토폴로지에 구애받지 않습니다. 형상을 메시화할 수 있기만 하면 도너 도메인으로 사용할 수 있습니다. 예시를 위해 구를 나노미터 크기로 스케일된 찻주전자 형상의 도메인으로 교체하겠습니다. 이는 BHJ에 대해 분명히 현실적인 형태는 아니지만, 의도적으로 복잡한 이 나노스케일 형상은 곡률, 오목함, 국소 두께가 엑시톤 확산 경로와 계면 해리에 어떤 영향을 미치는지 직관적으로 보여줍니다.

형상 데이터베이스 선택기(점 세 개 버튼)를 클릭한 다음 teapot를 더블클릭하여 찻주전자 형상을 선택합니다. 메시 편집기를 닫습니다. 메인 시뮬레이션 창은 Figure ??에 보인 것처럼 자동으로 업데이트됩니다.

이전과 같이 시뮬레이션을 실행합니다. 완료되면 Exciton Output으로 이동하여 exciton.csv를 엽니다. 결과적인 엑시톤 밀도장은 Figure ??에 나와 있습니다. 여기서 사용한 구체적인 형상은 인공적이지만, 기저 물리는 구형 경우와 동일합니다. 엑시톤은 도너 내부에서 생성되고, 3차원 도메인을 통해 확산하며, 해리가 강한 계면에서 제거됩니다. 이 접근법의 가치는 기하를 관심 있는 임의의 형상으로 교체할 수 있다는 점에 있으며, 따라서 이 모델은 도메인 형태가 엑시톤 수송과 유효 전하 생성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 체계적인 what-if 연구에 매우 적합합니다.

2. 광학 특성

엑시톤 도메인 모델에서 광학 특성은 객체별로 할당됩니다. 이를 편집하려면 주변 층 또는 내장된 도너 도메인을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Object editor를 선택합니다. 그러면 Figure ??에 표시된 객체 편집기 창이 열립니다. 각 객체는 특정 광학 재료와 연결될 수 있으며, 이러한 재료에는 파장 의존 굴절률 데이터(\(n,k\))가 포함됩니다. 완전한 광학 시뮬레이션에서는 이러한 재료 특성이 구조 내에서 빛이 공간적으로 어떻게 흡수되는지, 그리고 위치와 파장의 함수로서 엑시톤이 어떻게 생성되는지를 결정하는 데 사용됩니다.

이 튜토리얼에서 광학 재료 데이터(각 객체에 할당된 \(n,k\))는 의도적으로 흡수 계산에 사용되지 않습니다. 대신 엑시톤 생성은 일정한 엑시톤 생성률을 사용하여 직접 지정됩니다. 이는 광 간섭 및 파장 의존 효과로부터 엑시톤 수송, 재결합 및 계면 해리를 분리하기 위해 고안된 의식적인 모델링 선택입니다. 해당 설정은 메인 창의 Optical 리본에서 접근하는 광학 시뮬레이션 편집기에서 설정되며, Figure  ??에 나와 있습니다.

광학 편집기에서 생성 모델은 현재 Constant value로 설정되어 있습니다. 객체별 생성률은 Constant value와 연결된 드롭다운 메뉴를 열고 Edit constant를 선택하면 볼 수 있습니다. 그러면 그림의 삽입도에 표시된 생성률 편집기가 열리며, 장면의 각 객체에 대해 지정된 생성률이 나열됩니다. 현재 설정에서 도너 도메인(구 또는 찻주전자)에는 균일한 생성률 \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\)이 할당되고, 주변 층에는 0이 할당됩니다. 이는 도너 영역에 제한된 공간적으로 균일한 엑시톤 소스를 만듭니다. 생성 률이 고정되어 있고 모든 위치에서 알려져 있기 때문에, 결과적인 엑시톤 밀도와 해리 패턴은 파장 의존 흡수 프로파일이 도입하는 추가적인 모호성 없이 확산, 재결합, 그리고 계면 손실 과정의 관점에서 직접 해석될 수 있습니다.

기하와 광 생성이 정의되었으므로 이제 엑시톤 도메인 모델이 완성되었습니다. 이제 도메인 형상, 크기 및 엑시톤 파라미터의 변화가 exciton_sim_info.json에 보고되는 해리 효율에 어떤 영향을 미치는지 탐구할 수 있습니다.