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記者專欄
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我研究團(tuán)隊(duì)揭示電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中核量子效應(yīng)重要作用

2022-06-24 12:36 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

  記者23日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,該校物理學(xué)院趙瑾教授研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)李新征教授合作,發(fā)現(xiàn)固體—分子界面的超快電荷轉(zhuǎn)移與質(zhì)子的量子動(dòng)力學(xué)有很強(qiáng)的耦合,揭示了電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中核量子效應(yīng)的重要作用。該研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

  固體與分子界面是研究太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的最重要的原型體系之一,界面的光激發(fā)載流子動(dòng)力學(xué)是決定太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的決定性因素之一。在光催化、光伏等典型的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中,光激發(fā)在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子空穴對(duì),這些激發(fā)態(tài)載流子再通過(guò)固體—分子界面轉(zhuǎn)移到分子上。在許多的固體—分子界面,分子之間會(huì)形成復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò),質(zhì)子常常會(huì)在這樣的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)移,因此,固體—分子界面的電荷轉(zhuǎn)移常常與質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)耦合在一起,在這樣的過(guò)程中,人們面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜的量子體系,不僅需要理解電子的動(dòng)力學(xué)行為,還需要考慮其與質(zhì)子的耦合,而在氫鍵網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子,本身的核量子效應(yīng)也不能忽略,這成為本領(lǐng)域內(nèi)尚未解決的復(fù)雜問(wèn)題。

  科研人員將第一性原理計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)兩種前沿的計(jì)算方法——“非絕熱分子動(dòng)力學(xué)(NAMD)”與“路徑積分分子動(dòng)力學(xué)(PIMD)”相結(jié)合,解決了這一難題。他們使用NAMD處理電子動(dòng)力學(xué)部分,并用基于路徑積分理論的Ring-polymer分子動(dòng)力學(xué)(RPMD)方法處理核量子效應(yīng)。用這種方案,他們研究了甲醇/二氧化鈦界面的空穴轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸附在二氧化鈦表面的甲醇形成氫鍵網(wǎng)絡(luò),質(zhì)子會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中頻繁轉(zhuǎn)移,這些質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的量子化行為,而吸附的甲醇分子對(duì)激發(fā)態(tài)空穴的捕獲能力由于質(zhì)子的量子化運(yùn)動(dòng)而顯著提升,從而提升光化學(xué)反應(yīng)的效率。

  這項(xiàng)成果一方面揭示了固體—分子界面超快電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成與核量子效應(yīng)的重要作用,另一方面也為利用第一性原理計(jì)算研究核量子動(dòng)力學(xué)與電子動(dòng)力學(xué)的耦合提供了新的工具。記者吳長(zhǎng)鋒

(責(zé)任編輯:支艷蓉)

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我研究團(tuán)隊(duì)揭示電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中核量子效應(yīng)重要作用

2022-06-24 12:36 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)
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