研究團(tuán)隊揭示電荷轉(zhuǎn)移過程中核量子效應(yīng)重要作用

  ICC訊 記者23日從中國科學(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)子的量子動力學(xué)有很強(qiáng)的耦合，揭示了電荷轉(zhuǎn)移過程中核量子效應(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(xué)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(dǎo)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(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)子常常會在這樣的氫鍵網(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)動耦合在一起，在這樣的過程中，人們面對的是一個復(fù)雜的量子體系，不僅需要理解電子的動力學(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(xué)（NAMD）”與“路徑積分分子動力學(xué)（PIMD）”相結(jié)合，解決了這一難題。他們使用NAMD處理電子動力學(xué)部分，并用基于路徑積分理論的Ring-polymer分子動力學(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)移動力學(xué)過程，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)子會在網(wǎng)絡(luò)中頻繁轉(zhuǎn)移，這些質(zhì)子的運(yùn)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(yùn)動而顯著提升，從而提升光化學(xué)反應(yīng)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(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算研究核量子動力學(xué)與電子動力學(xué)的耦合提供了新的工具。