能隙本身为何不能决定转移
这篇论文要回答的是:激子如何在聚合物链上两个共轭片段之间移动。主链上的扭转无序会局部破坏共轭,把链分割成各自独立共轭的片段,即发色团;研究把这样一对片段构成的供体-受体对当作最小单元:激子从处于激发态的供体出发,最终可能落在处于激发态的受体上。
答案是三种过程在竞争。激子可以在供体与受体的垂直激发态之间相干跳跃;它可以在任一发色团上振动弛豫到能量更低的弛豫态;它还可以通过偶极介导的Förster共振能量转移(FRET)移动。哪一种过程占主导,取决于两个发色团之间的能隙、跳跃强度,以及周围环境从系统中抽走能量的速率。
把垂直激发态与弛豫态分开的三层模型
每个发色团用两个电子态而非一个来描述:一个是吸收时直接到达的垂直激发态,另一个是位于其下方的振动弛豫态。把供体和受体合在一起,就得到布居动力学所用的四个基态,记为1至4,其中态1和态3是垂直激发态,态2和态4是弛豫态。论文称之为简化的三层供体-受体描述,因为其核心结构就是供体-受体对加上弛豫这一步。
把弛豫态单独保留下来很重要,因为FRET正是在这些态之间起作用。在弱跳跃情形下,论文报告态2与态3之间的转移提供了一条缓慢的次级通道,在激子已经弛豫之后把布居逐步重新分配给受体。若把每个发色团压缩成单一能级,模型就无法表示这条通道。
动力学用层级运动方程(HEOM)计算,它在传播约化密度矩阵的同时,把系统与环境的相互作用按非马尔可夫方式处理。通俗地说,环境被允许保留它与激子相互作用的历史记忆,而不是被简化成一个瞬时阻尼项。环境通过Drude谱密度建模,其截断频率写作系统-热浴弛豫速率,决定热弛豫进行得多快。
两组发色团对覆盖小能隙与大能隙
参数取自MEH-PPV,这是一种常被用作激发态光物理参考体系的共轭聚合物。论文对2至10个重复单元的共轭片段计算了激发能,几何结构在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上优化,并用可极化连续介质模型处理甲苯溶剂;论文报告共轭长度越长,激发能越低。
基于这些计算,研究构建了两种供体-受体组合。5-7情形把五单元供体与七单元受体配对,代表小能隙;论文指出MEH-PPV在室温下的有效共轭长度为五个单元。2-10情形把二单元供体与十单元受体配对,代表大能隙。
垂直激发态之间的跳跃V13在三个区间内变化:0.7 eV、0.07 eV和0.007 eV。论文把中间值描述为物理上合理的量级,它由文献报道的约30 fs各向异性跃迁时间尺度换算而来;强、弱两个值则分别取高一个和低一个数量级,用来包住这一范围。系统-热浴弛豫速率设为0.01 eV或0.001 eV,偶极-偶极耦合在5-7情形为0.0035 eV,在2-10情形为0.0024 eV。所有动力学都从激子完全局域在态1开始。
强跳跃在小能隙下维持相干交换
在5-7情形且弛豫较快时,强跳跃使态1与态3之间出现相干布居交换,由于其他通道作用很小,振荡式布居占主导。在中等跳跃下,振荡在早期仍然存在,但退相干和热耗散逐渐接管;态1与态3的布居交叉之后,动力学转为单调转移。
在弱跳跃下,跳跃强度与系统-热浴弛豫速率相当,相干转移被强烈抑制,局域化过程主导动力学。布居逐渐积累在弛豫态2和态4中,而态2与态3之间的FRET提供了一条缓慢的次级再分配通道,把布居送往受体。
把弛豫速率从0.01 eV降到0.001 eV会削弱热耗散,使态1与态3之间的振荡持续更久,强跳跃和中等跳跃两个面板都是如此。论文将此解读为较小的弛豫速率减慢了振动弛豫,从而推迟了局域化。
大能隙下只有强跳跃才能转移
2-10情形把供体-受体能量差放在与强跳跃耦合相当的量级。即便如此,强跳跃仍会产生态1与态3之间的相干振荡,并被弛豫速率逐渐阻尼;论文将其解释为足够强的耦合部分克服了大能隙,从而在早期实现相干转移。
在中等跳跃下,振荡特征明显被抑制,动力学变为单调:发生的是激发态内部的振动弛豫,而不是两个发色团之间的激子转移。在弱跳跃下,供体布居保持热局域,供体与受体之间的转移显著减少,振动弛豫驱动快速局域化,而不是持续的交换。
再次降低弛豫速率会延长强跳跃情形下的振荡,但在中等和弱跳跃下,布居仍由振动弛豫主导。论文明确指出,当跳跃太小时,仅靠降低弛豫速率不足以诱导有效的供体-受体转移。
相近的位点能比大能隙更关键
比较两种情形后,论文得出结论:当两个发色团的位点能相近而不是相差很大时,激子能量转移相对容易发生。在大能隙情形下,多数跳跃条件下两个发色团之间都不会发生有效转移,布居反而收敛到热局域态。
弛豫速率是另一个独立控制量。对两种情形而言,较小的值让相干性维持更长时间,较大的值则增强阻尼,加快向局域布居的弛豫。论文的整体主张是:态能隙、跳跃常数和系统-热浴弛豫速率共同决定链内转移,以及那些与发射光谱相关的布居动力学。
简化对模型能说明与不能说明什么
该模型只处理两个发色团,因此本身无法重现沿整条聚合物链的转移。论文提出把它推广到多发色团体系,以模拟链上的一段,并预期会看到发色团之间的逐级转移;论文还提出,这可能有助于理解超快各向异性转移。这一推广只是预期,并非已证明的结果。
验证也是部分的。论文把与实验报道在时间尺度上的一致称为部分验证,但同时指出,在这个简化模型中,与光谱线型逐一吻合存在固有局限:链长受限,构型平均也太少,无法给出具有统计意义的光谱可观测量。对多发色团系综的完整光谱验证留待未来工作。
由此得到的实际重点是比较关系,而不是某个单一数值。判断激子是否会在两个共轭片段之间移动时,论文的结果把供体-受体能隙的大小和跳跃强度放在弛豫速率之前:小能隙加强跳跃支持相干交换;大能隙除非跳跃很强,否则抑制转移;降低弛豫速率能延长相干性,但在跳跃太弱时无法挽救转移。
本文引用的文献
Exciton energy transfer in conjugated polymers via a three-level Donor–Acceptor model
能隙、跳跃强度和系统-热浴弛豫速率共同控制链内激子能量转移;供体-受体能隙大时,除非跳跃很强,否则转移被抑制,而仅降低弛豫速率无法在弱跳跃下挽救转移。
