Tutorial de Domínio de Éxcitons (Parte B): Editando Geometria e Propriedades Ópticas

1. Editando a forma do domínio

Em sistemas reais de heterojunção de volume, domínios doadores não são perfeitamente esféricos nem uniformes. Seu tamanho, forma e conectividade variam na escala nanométrica, e essas características geométricas influenciam diretamente quão longe os éxcitons devem se difundir antes de alcançar uma interface doador–aceitador. Como o modelo de domínio de éxcitons é totalmente tridimensional e baseado em malha, ele permite explorar como mudanças na morfologia do domínio — além de simples variações de tamanho — afetam o transporte e a dissociação de éxcitons.

Para modificar a geometria do domínio, clique com o botão direito no objeto embutido (a esfera no exemplo padrão) na janela principal de simulação. O menu de contexto é mostrado na Figura ??. Selecione Mesh editor para abrir o editor de geometria.

No editor de malha, você pode escolher em uma biblioteca de formas predefinidas ou importar suas próprias geometrias. O solver de éxcitons é agnóstico à topologia: desde que a forma possa ser malhada, ela pode ser usada como domínio doador. Para ilustração, substituiremos a esfera por um domínio em forma de bule, escalado para dimensões nanométricas. Embora claramente não seja uma morfologia realista para um BHJ, essa forma complexa deliberadamente em nanoescala fornece uma maneira intuitiva de ver como curvatura, concavidade e espessura local influenciam os caminhos de difusão de éxcitons e a dissociação interfacial.

Selecione a forma do bule clicando no seletor do banco de dados de formas (o botão de três pontos), depois dê um duplo clique em teapot. Feche o editor de malha. A janela principal de simulação é atualizada automaticamente, como mostrado na Figura ??.

Execute a simulação como antes. Quando ela terminar, navegue até Exciton Output e abra exciton.csv. O campo resultante de densidade de éxcitons é mostrado na Figura ??. Embora a forma específica usada aqui seja artificial, a física subjacente é idêntica ao caso esférico: éxcitons são gerados dentro do doador, difundem-se através do domínio tridimensional e são removidos nas interfaces onde a dissociação é forte. O valor dessa abordagem é que a geometria pode ser substituída por qualquer forma de interesse, tornando o modelo bem adequado para estudos sistemáticos do tipo what-if sobre como a morfologia do domínio influencia o transporte de éxcitons e a geração efetiva de carga.

2. Propriedades ópticas

As propriedades ópticas no modelo de domínio de éxcitons são atribuídas por objeto. Para editá-las, clique com o botão direito na camada circundante ou no domínio doador embutido e selecione Object editor. Isso abre a janela do editor de objetos mostrada na Figura ??. Cada objeto pode ser associado a um material óptico específico, e esses materiais incluem dados de índice de refração dependentes do comprimento de onda (\(n,k\)). Em uma simulação óptica completa, essas propriedades dos materiais seriam usadas para determinar como a luz é absorvida espacialmente dentro da estrutura e como os éxcitons são gerados em função da posição e do comprimento de onda.

Neste tutorial, os dados de material óptico (o \(n,k\) atribuído a cada objeto) são deliberadamente não usados para calcular a absorção. Em vez disso, a geração de éxcitons é prescrita diretamente usando uma taxa de geração constante de éxcitons. Esta é uma escolha consciente de modelagem projetada para isolar o transporte, a recombinação e a dissociação interfacial de éxcitons dos efeitos de interferência óptica e dependência com o comprimento de onda. A configuração correspondente é definida no editor de simulação óptica, acessado a partir da faixa Optical na janela principal, e é mostrada na Figura  ??.

No editor óptico, o modelo de geração está atualmente definido como Constant value. As taxas de geração por objeto podem ser vistas abrindo o menu suspenso associado a Constant value e selecionando Edit constant. Isso abre o editor de taxa de geração mostrado em destaque na figura, que lista a taxa de geração prescrita para cada objeto na cena. Na configuração presente, o domínio doador (esfera ou bule) recebe uma taxa de geração uniforme de \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), enquanto a camada circundante recebe zero. Isso produz uma fonte espacialmente uniforme de éxcitons confinada à região doadora. Como a taxa de geração é fixa e conhecida em todos os pontos, os padrões resultantes de densidade e dissociação de éxcitons podem ser interpretados diretamente em termos de difusão, recombinação e processos de perda interfacial, sem a ambiguidade adicional introduzida por perfis de absorção dependentes do comprimento de onda.

Com a geometria e a geração óptica definidas, o modelo de domínio de éxcitons agora está completo. Você pode prosseguir para explorar como mudanças na forma, no tamanho do domínio e nos parâmetros de éxcitons afetam a eficiência de dissociação relatada em exciton_sim_info.json.