光敏量子點的第一性原理研究.pdf

1、量子點，又可稱為納米晶，通常是一種由II族，III-V族元素以及過度金屬組成的納米顆粒。量子點的粒徑一般介于2～10 nm之間，穩(wěn)定、溶于水。目前研究較多的是貴金屬量子點Au,Ag等，半導體量子點，如TiO2、CdS、CdSe等。近來，量子點由于其獨特的性質(zhì)越發(fā)受到人們的重視，其研究內(nèi)容涉及到化學、物理、生物、材料等多學科，已經(jīng)成為一門新興的交叉學科。量子點獨特的性質(zhì)主要基于它自身的量子效應(yīng)。當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸的限制將引起量

2、子限域效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)和表面效應(yīng)。從而派生出納米體系具有不同的低維物性，因而展現(xiàn)出諸多不同于宏觀材料的物理與化學性質(zhì)，這在非線性光學、光伏材料，磁介質(zhì)、光催化、醫(yī)藥等方面有著極具潛力的應(yīng)用價值。
　　 在第一章中，我們簡單的介紹了密度泛函理論的框架，從最初的Thomas-Fermi模型到Hohenberg-Kohn定理，再到Khon-Sham方程。相應(yīng)的含時密度泛函理論，從Runge-Gross定理到含時的Kohn-

3、Sham方程，我們都做了系統(tǒng)的介紹，在此基礎(chǔ)上，我們還介紹了時域下通過傳播密度矩陣來求解含時的Kohn-Sham方程。最后，我們介紹了最小開關(guān)的Surface Hopping方法，以及線寬理論。
　　 第二章中，我們研究了銀量子點的電聲耦合動力學。銀量子點作為一種貴金屬，具有特別的局域表面等離子共振現(xiàn)象。其均勻共振線寬主要由去相干/去相位時間與激發(fā)態(tài)壽命（即馳豫時間）共同決定。我們首先研究了聲子誘導的等離子激元去相干作用。結(jié)果表

4、明等離子激發(fā)中電聲耦合導致的去相干是總的去相干作用中重要的組成部分。較小的銀納米晶，其聲子誘導的等離子激發(fā)去相干時間更短。此外，溫度對去相干的影響較大，低溫時的聲子運動不活躍，因此其誘導的去相干較為不明顯。接下來，結(jié)合最小開關(guān)的surface hopping與含時Kohn-Sham方法，我們研究了銀量子點等離子激發(fā)態(tài)的電聲馳豫動力學。通過模擬得到一系列等離子激發(fā)態(tài)的馳豫時間在500 至1800 fs之間。其中，低能激發(fā)要快于高能激發(fā)的馳

5、豫時間，這和超快光譜得到的實驗結(jié)果基本一致。
　　 在第三章中，我們研究了染料敏化太陽能電池中染料-納米晶界面間的電荷轉(zhuǎn)移動力學。首先，運用時域中傳播密度矩陣解含時Kohn-Sham方程的方法，我們研究了三種染料-TiO2納米晶復合體系。電子動力學模擬得到的結(jié)果表明，從激發(fā)態(tài)染料分子向二氧化鈦轉(zhuǎn)移的過程很快，只有幾個飛秒，這很好的符合實驗測量的結(jié)果。同時，我們發(fā)現(xiàn)，當納米晶尺寸很小時，電子轉(zhuǎn)移的尺寸效應(yīng)更加明顯。而當尺寸增大時，

6、其量子尺寸效應(yīng)迅速的降低。第二部分，我們運用非絕熱的分子動力學方法，研究了小尺寸alizarin敏化的TiO2納米晶界面間的多指數(shù)電子轉(zhuǎn)移過程。這種多指數(shù)的電子轉(zhuǎn)移主要來源于納米晶導帶的能級分立，因而導致了絕熱與非絕熱機理共同作用于電子轉(zhuǎn)移過程。此外，該體系具有很慢的電子反向轉(zhuǎn)移過程。這部分理論研究為提高太陽能電池的效率提供了一定的指導意義。
　　 最后，運用量子化學方法，我們還研究了一類有機多聚體異質(zhì)結(jié)，BBL-P3HT與TB