Samouczek dotyczący domeny ekscytonów (część B): edycja geometrii i właściwości optycznych

1. Modyfikowanie kształtu domeny.

W rzeczywistych układach heterospójeniowych o dużej objętości domeny donorów nie są idealnie sferyczne ani jednorodne. Ich rozmiar, kształt i sposób połączenia zmieniają się w skali nanometrowej, a te geometryczne cechy bezpośrednio wpływają na odległość, jaką muszą przebyć ekscytony, zanim dotrą do granicy między donorem a akceptorem. Ponieważ model ekscyton-domena jest w pełni trójwymiarowy i oparty na siatce, umożliwia on analizę wpływu zmian w morfologii domen – wykraczających poza proste zmiany rozmiaru – na transport i dysocjację ekscytonów.

Aby zmodyfikować geometrię domeny, kliknij prawym przyciskiem myszy na osadzony obiekt (w domyślnym przykładzie jest to sfera) w głównym oknie symulacji. Menu kontekstowe wyświetlane jest na rysunku.??Wybierz. Edytor siatki aby otworzyć edytor geometrii.

W edytorze siatki można wybrać gotowe kształty z biblioteki lub zaimportować własne modele geometryczne. Rozwiązujący problem eksytonów nie uwzględnia topologii: dopóki dany kształt można przedstawić w postaci siatki, można go użyć jako domeny donora. Dla celów ilustracyjnych zastąpimy kulę domeną w kształcie czajnika, przeskalowaną do wymiarów nanometrowych. Chociaż jest to wyraźnie nierealistyczny kształt dla heterospójnika organicznego, ten celowo skomplikowany kształt w skali nanometrycznej pozwala w intuicyjny sposób zobaczyć, jak krzywizna, wklęsłość i lokalna grubość wpływają na ścieżki dyfuzji eksytonów i dysocjację na granicy faz.

Wybierz kształt czajnika, klikając w selektor kształtów (ikonę). trzy kropki przycisk), a następnie kliknij dwukrotnie. czajnik do herbatyZamknij edytor siatki. Główne okno symulacji aktualizuje się automatycznie, jak pokazano na rysunku.??.

Uruchom symulację tak jak poprzednio. Po jej zakończeniu przejdź do sekcji „Wyniki symulacji eksytonów” i otwórz plik exciton.csv. Otrzymane pole gęstości eksytonów przedstawiono na rysunku ??. Chociaż użyty tutaj konkretny kształt jest sztuczny, podstawowe zasady fizyczne są identyczne z przypadkiem sferycznym: eksytony są generowane w obszarze donora, rozprzestrzeniają się w przestrzeni trójwymiarowej i są usuwane na granicach, gdzie dysocjacja jest silna. Zaletą tego podejścia jest możliwość zastąpienia geometrii dowolnym kształtem, co sprawia, że model doskonale nadaje się do systematycznych badań, mających na celu sprawdzenie, w jaki sposób morfologia obszaru wpływa na transport eksytonów i efektywną generację ładunków.

2. Właściwości optyczne

W modelu domen eksytonowych właściwości optyczne są przypisywane poszczególnym obiektom. Aby je edytować, kliknij prawym przyciskiem myszy na otaczającą warstwę lub osadzoną domenę donorową i wybierz opcję „Edytor obiektów”. Otworzy się okno edytora obiektów, jak pokazano na rysunku ??. Każdy obiekt może być powiązany z określonym materiałem optycznym, a materiały te obejmują dane dotyczące współczynnika załamania w zależności od długości fali (\(n,k\)). W pełnej symulacji optycznej właściwości te byłyby wykorzystywane do określenia, w jaki sposób światło jest absorbowane przestrzennie w strukturze oraz jak generowane są eksytony w funkcji położenia i długości fali.

W tym samouczku dane dotyczące właściwości optycznych materiałów (przypisane do każdego obiektu za pomocą oznaczenia \(n,k\)) nie są wykorzystywane do obliczeń absorpcji. Zamiast tego, generacja ekscytonów jest definiowana bezpośrednio poprzez stałą wartość współczynnika generacji ekscytonów. Jest to świadoma decyzja modelarska, mająca na celu wyodrębnienie transportu, rekombinacji i dysocjacji na granicy faz ekscytonów od interferencji optycznej i efektów zależnych od długości fali. Odpowiednia konfiguracja jest ustawiana w edytorze symulacji optycznej, do którego można uzyskać dostęp z głównego okna, w zakładce „Optyka”, i jest przedstawiona na rysunku ??.

W edytorze optycznym aktualnie ustawiono stałą wartość jako model generowania. Można wyświetlić wartości generowania dla poszczególnych obiektów, otwierając rozwijane menu związane ze stałą wartością i wybierając opcję „Edytuj stałą”. Otwiera to edytor wartości generowania, który jest widoczny na ilustracji, i który wyświetla zadaną wartość generowania dla każdego obiektu w scenie. W obecnej konfiguracji obiekt dawcy (kula lub dzbanek) ma przypisaną jednolitą wartość generowania wynoszącą \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), natomiast warstwa otaczająca ma wartość równą zero. W rezultacie powstaje przestrzennie jednolity obszar generowania ekscytonów, ograniczony do obszaru dawcy. Ponieważ wartość generowania jest stała i znana w każdym punkcie, wynikową gęstość ekscytonów i wzorce dysocjacji można interpretować bezpośrednio w kategoriach procesów dyfuzji, rekombinacji i strat na granicy, bez dodatkowych niejasności wynikających z profili absorpcji zależnych od długości fali.

Gdy geometria i sposób generowania światła zostaną zdefiniowane, model domen eksytonowych będzie kompletny. Można teraz przystąpić do analizy, w jaki sposób zmiany w kształcie, rozmiarze i parametrach eksytonów wpływają na efektywność dysocjacji, o której mowa w exciton_sim_info.json.