研究團隊揭示電荷轉(zhuǎn)移過程中核量子效應重要作用

  ICC訊 記者23日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校物理學院趙瑾教授研究團隊與北京大學李新征教授合作，發(fā)現(xiàn)固體—分子界面的超快電荷轉(zhuǎn)移與質(zhì)子的量子動力學有很強的耦合，揭示了電荷轉(zhuǎn)移過程中核量子效應的重要作用。該研究成果日前發(fā)表在《科學進展》上。

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

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

  這項成果一方面揭示了固體—分子界面超快電荷轉(zhuǎn)移過程中氫鍵網(wǎng)絡的形成與核量子效應的重要作用，另一方面也為利用第一性原理計算研究核量子動力學與電子動力學的耦合提供了新的工具。