ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5
1.1 Общие свойства молекулярных агрегатов 5
1.2 Двумерные структуры на основе молекул триангуленов 7
1.3 Экситонный транспорт в агрегатах 8
1.4 Свойства разупорядоченных молекулярных агрегатов 13
1.5 Применение в области науки и техники 14
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 16
2.1 Экспериментальное наблюдение 16
2.3 Молекула CBT 18
2.4 Агрегат на основе CBT 20
2.5 Модель зарядового триполя 22
2.6 Гамильтониан агрегата 25
2.7 Модель двумерного агрегата 30
Глава 3. ДИФФУЗИЯ ЭКСИТОНОВ В АГРЕГАТЕ 33
3.1 Математическая модель 33
3.2 Метод расчета второго момента 34
3.3 Дефазировка 35
3.4 Расчётное время и длина агрегата 36
3.5 Коэффициент диффузии 38
Заключение 44
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 46
Современная наука и техника остро нуждается в создании новых материалов, которые можно использовать для переноса и преобразования оптических сигналов и энергии фотонов на субмикронные расстояния. Например, такие структуры можно использовать в нанооптических устройствах, сенсорах, а также в солнечных батареях [1]. Недавние экспериментальные исследования показали, что электронные возбуждения (синглетные экситоны) в одномерных органических цепочках (молекулярных агрегатах) гетеротриангуленовых красителей могут переноситься на расстояния порядка нескольких микрон [2]. Ранее обнаружение транспорта на сотни нанометров считалось большим успехом [3].
Чаще всего для описания подобного рода эффектов используется модели экситонного транспорта [4]. Однако, они обеспечивают довольно низкие оценки для дальности распространения возбуждений. Тем не менее, теоретические расчёты в рамках этой модели необходимы, так как руководствуясь ими можно более реалистично оценить характеристики молекулярной структуры, а также предположить наличие иных возможностей для объяснения экспериментальных результатов.
Актуальность темы данной работы определяется тем, что изучение свойств молекулярных агрегатов одинаково интересно, как и в области как теоретико-экспериментальных исследований, так и промышленного производства. Разработка ранее не известных оптических материалов и изучение их свойств может открыть совершенно новые направления в фотопромышленности или нелинейной оптике. Помимо этого, применение молекулярных агрегатов находят в области конструирования органических микрорезонаторов [5-6].
Целью данной работы является теоретическое исследование явления сверхдалекого распространения возбуждения в молекулярном агрегате на основе молекул гетеротриангуленов, используя микроскопическую модель распространения экситонов.
Учитывая сформулированную цель, в ходе выполнения магистерской работы были поставлены следующие задачи,
- разработка модели одномерного агрегата, учитывающей оптические свойства и свойства симметрии объекта,
- моделирование возможных структурных отклонений и энергетических флуктуаций вследствие взаимодействия агрегата со средой,
- исследование энергетического транспорта с точки зрения диффузии экситонов, определение коэффициента диффузии,
- определение диффузионной длины экситона и сравнение полученных величин с экспериментальными данными,
- разработка модели двумерного агрегата как дополнение к исследованию.
Молекулярные агрегаты все сильнее привлекают внимание ученых из разных областей, благодаря своим необычным свойством. Интересующее нас свойство распространения энергии на несколько микрометров может быть применено как в науке, так и в приборостроении.
В ходе работы были осуществлены следующие результаты:
- методами TDFT и специальными вычислительными ресурсами, были рассчитаны межатомные расстояния в структуре молекулы гетеротриангулена, уровни энергии и значения переходных дипольных моментов
- была предложена модель зарядового триполя, которая упростила расчёт взаимодействие между молекулами внутри агрегата
- была разработана программа, рассчитывающая структуру одномерного агрегата с неограниченным количеством молекул, допускающая возможность поворота молекул относительно центральной оси на произвольный угол
- была разработана программа, рассчитывающая структуру двумерного агрегата, позволяющая также построить его спектр
- были предложены три модели случайных беспорядков в агрегате: два вида поворотов молекул относительно оси и случайные энергетические флуктуации, которые вкупе позволяют сблизить модель к рассматриваемой системе
- была разработана программа рассчитывающая спектр и плотность состояний агрегата с учетом всех видов беспорядка
- в рамках Фёрсторовской модели экситона был рассмотрена динамика возбуждения в одномерной цепи, с учетом возможных видов беспорядка
- в модели транспорта было учтено возможное влияние среды, в виде процесса спонтанной дефазировки волновой функции
- были рассчитаны зависимости вторых моментов координат экситонов в зависимости от времени, при всех возможных комбинациях случайных параметров
- для каждой комбинации параметров были рассчитаны коэффициенты диффузии и усреднены по большому числу реализаций
- используя значения коэффициентов диффузий были рассчитаны значения диффузионной длины, которые можно сравнить с экспериментом
В конечном счете оказалось, что распространение экситона в рамках нашей модели, при учете различного рода беспорядков, может происходить на расстояния не более чем 600-650 нм, в то время как в эксперименте наблюдались значения выше по меньшей мере в два раза. Таким образом исследуемая система либо сильно упорядочена, либо существуют альтернативные методы описания эксперимента. Соответственно, необходимо проведение дополнительных экспериментов для получения более обширной информации по характеристике цепочек CBT.
Результаты данной работы были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России (проект № 3.2166.2017/4.6)
