Навчальний посібник з області екзитонів (частина B): редагування геометрії та оптичних властивостей.

1. Редагування форми домену.

У реальних системах з об’ємними гетеропереходами донорні області не є ідеально сферичними або однорідними. Їх розмір, форма та взаємозв’язок варіюються в нанометровому масштабі, і ці геометричні характеристики безпосередньо впливають на те, наскільки далеко мають поширюватися екситони, перш ніж досягти донор-акцепторної межі. Оскільки модель екситон-доменної структури є повністю тривимірною та базується на сітчастій структурі, вона дає змогу дослідити, як зміни в морфології доменів – окрім простих варіацій розміру – впливають на транспорт і дисоціацію екситонів.

Щоб змінити геометрію області, клацніть правою кнопкою миші на вбудованому об’єкті (сфері у прикладі за замовчуванням) у головному вікні моделювання. Контекстне меню відображається на рисунку ??. Виберіть «Редактор сітки», щоб відкрити редактор геометрії.

У редакторі сітки ви можете вибирати з бібліотеки попередньо визначених форм або імпортувати власні геометричні об’єкти. Алгоритм розв’язання рівнянь для ексітонів не залежить від топології: доки форму можна розбити на сітку, її можна використовувати як донорну область. Для ілюстрації ми замінимо сферу на область у формі чайника, зменшену до нанометрових розмірів. Хоча це, безумовно, не реалістична морфологія для BHJ, ця навмисно складна наноструктура надає наочний спосіб зрозуміти, як кривизна, увігнутість і локальна товщина впливають на шляхи дифузії ексітонів і міжфазну дисоціацію.

Оберіть форму чайника, натиснувши на кнопку вибору форми (три крапки), а потім двічі клацніть на чайнику. Закрийте редактор сітки. Основне вікно симуляції автоматично оновиться, як показано на рисунку ??.

Запустіть моделювання, як і раніше. Після завершення перейдіть до розділу «Вихідні дані про екцитони» та відкрийте файл exciton.csv. Отримане поле щільності екцитонів показано на рисунку ??. Хоча конкретна форма, використана тут, є штучною, основні фізичні принципи ідентичні сферичному випадку: екцитони утворюються всередині донора, поширюються в тривимірній області та видаляються на межах, де дисоціація є сильною. Перевага цього підходу полягає в тому, що геометрію можна замінити будь-якою потрібною формою, що робить модель придатною для систематичного дослідження впливу морфології області на транспорт екцитонів і ефективне утворення заряду.

2. Оптичні властивості

Оптичні властивості в моделі, що базується на екзитонних доменах, визначаються для кожного об’єкта окремо. Щоб їх відредагувати, клацніть правою кнопкою миші на навколишньому шарі або на вбудованому донорному домені та виберіть «Редактор об’єктів». Відкриється вікно редактора об’єктів, показане на рисунку ??. Кожен об’єкт може бути пов’язаний із певним оптичним матеріалом, і ці матеріали містять дані про показник заломлення, що залежить від довжини хвилі (\(n,k\)). Під час повної оптичної симуляції ці властивості матеріалів використовуватимуться для визначення того, як світло поглинається в просторі всередині структури та як генеруються екзитони в залежності від положення та довжини хвилі.

У цьому навчальному посібнику дані про оптичні властивості матеріалів (призначені значення \(n,k\) для кожного об’єкта) навмисно не використовуються для обчислення поглинання. Натомість, генерація екситонів задається безпосередньо шляхом використання постійної швидкості генерації екситонів. Це свідомий вибір моделі, призначений для того, щоб відокремити транспорт, рекомбінацію та міжфазну дисоціацію екситонів від оптичної інтерференції та ефектів, що залежать від довжини хвилі. Відповідні налаштування задаються в редакторі оптичного моделювання, до якого можна отримати доступ зі вкладки «Оптика» в головному вікні, і вони показані на рисунку ??.

В оптичному редакторі наразі для моделі генерації встановлено постійне значення. Швидкість генерації для кожного об’єкта можна переглянути, відкривши випадаюче меню, пов’язане з постійним значенням, і вибравши «Редагувати константу». Це відкриває редактор швидкості генерації, зображений на малюнку, який містить перелік заданих швидкостей генерації для кожного об’єкта в сцені. У поточній конфігурації донорській області (сфері або чайнику) присвоюється рівномірна швидкість генерації \(1\times10^{27}\,\mathrm{m^{-3}\,s^{-1}}\), тоді як навколишньому шару присвоюється нульове значення. Це створює просторово рівномірне джерело екситонів, обмежене донорською областю. Оскільки швидкість генерації фіксована та відома в будь-якій точці, отриману щільність екситонів і схеми дисоціації можна безпосередньо інтерпретувати з точки зору процесів дифузії, рекомбінації та втрат на межі, без додаткової невизначеності, що виникає через залежні від довжини хвилі профілі поглинання.

Після визначення геометричних параметрів та оптичних характеристик, модель, що описує області, в яких утворюються екситони, вважається завершеною. Тепер можна перейти до вивчення того, як зміни форми, розміру та параметрів екситонів впливають на ефективність дисоціації, про що повідомляється у exciton_sim_info.json.