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突破性量子化学技术为下一代有机光功能材料铺平道路
突破性量子化学技术为下一代有机光功能材料铺平道路
由香港大学（HKU）化学系杨俊博士领导的量子化学研究团队开发了一种广泛适用的计算技术，使用高级量子化学算法来揭示复杂的电子和能量转移途径光物理过程。理论方法和计算结果已发表在旗舰期刊化学科学上 英国皇家化学学会 港大开发的量子化学算法标志着新机制的理论和计算研究的突破，通过高精度大规模量子模拟导致下一代有机光功能材料。
传统的基于硅的单 pn 结架构的太阳能电池效率本质上受到肖克利-奎瑟 (Shockley-Queisser) 限制的限制，即由于光谱损失，只能收集和转换总入射阳光的 33%。然而，这种效率限制可以通过结合新的电子-空穴对复制通道来消除。单线态裂变是这样一种新兴机制，通过仅以一个光子能量为代价使太阳能电池中的电流增加一倍就可以促进激子的产生，并且在大幅提高光电转换效率和彻底改变生产竞赛方面具有巨大潜力。基于第三代硅基太阳能设备的可再生能源。
自 1960 年代单线态裂变研究引起关注以来，该领域出现了许多研究，从基础力学研究到材料设计和器件开发。然而，激子复制机制及其动力学过程中无法解释的能量损失仍然是一个很大的未知数。这一直困扰着单线态裂变材料的发现和应用。虽然有许多提出的机械论断言和基本原理，但由于采用量子相互作用的非常复杂和协作的光物理性质，在定义基本激子态在推动裂变过程中的确切作用和行为方面存在持续的歧义、长期存在的争论和巨大争议强相关电子与其振动环境之间的关系。
方法论和成就
在这项研究中，香港大学量子化学研究团队提出并进一步证实，正确描述单线态裂变细节必须考虑更多相关电子、更多低位激子态以及不同激子之间更强的耦合具有某些分子振动，而不是以前所有文献研究中的预期。所有这些量子态和量子相互作用的准确计算，以前对传统的量子化学算法来说是一个巨大的挑战，现在通过采用从头算密度矩阵重整化群方法（DMRG-SCF）的自洽场算法是可行的，由杨博士和同事改进。研究小组进一步提出纳入“双粒子形式主义”。
主要研究成果包括：
1、该研究团队开发了一种新算法，通过关联大规模 ab-initio DMRG-SCF 模拟中前所未有的大量价 π 电子来精确捕获多体量子态和相互作用。根据大多数以前的文献报告中的粗略模型近似值，这些相互作用要么被排除在外，要么被认为不重要。在这里，香港大学量子化学研究得出的结论是，恢复的相互作用对于确定和平衡单线态裂变的光物理微妙性至关重要。
2、研究人员指出，源自电荷转移状态的静电库仑相互作用，在文献报道中被认为对介导三重-三重对状态很重要，但不足以驱动并五苯二聚体的单线裂变过程。高精度计算研究清楚地揭示了电荷转移态的双重作用性质：它是 1(TT) 态与弱和强电荷转移激子态的强耦合，以及控制种群生成的分子振动，与并五苯二聚体中不同振动区域内的 1(TT) 对状态相关的转移和离域动力学。
这项工作首次阐明，正是强电子-电子相关性和电子-振动耦合的共存，在并五苯中产生了有效的单线态裂变过程，这非常复杂，事实上，这一发现只有在“如果使用数值精确的多体量子化学算法，与该领域流行的其他低级方法相反。香港大学的研究令人鼓舞，并指出了可以通过相应地修改化学成分和基础设施来开发的新材料设计策略，项目负责人杨博士说。
第一作者 Rajat Walia 先生补充说，我们将使用这种计算方案，通过在母体并苯和具有各种取代基的多并苯中添加适当的电荷分离，进一步开发几种掺杂的分子间和分子内单线态裂变候选物，并寻找最佳堆积和取向以实现更高的单线态裂变率。
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