碳納米管(CNTs)是太陽能和光電應(yīng)用的熱門候選材料。碳納米管傳統(tǒng)上用作電子接收器，也可以作為電子給體，例如與苝二亞胺(PDI)偶聯(lián)。為了達(dá)到高效率，電子轉(zhuǎn)移(ET)應(yīng)該是快速的，而隨后的電荷重組應(yīng)該是緩慢的。通常，缺陷被認(rèn)為對材料性能有害，因?yàn)樗鼈兗铀匐姾珊湍芰繐p失。我們證明，令人驚訝的是，常見的碳納米管缺陷是提高性能的而不是降低性能。碳納米管和其他低維材料具有中等缺陷，不會(huì)產(chǎn)生深阱。同時(shí)，碳納米管缺陷引起的電荷再分配產(chǎn)生了額外的靜電勢，增加了碳納米管的功函數(shù)，降低了碳納米管相對于受體物種的能級。因此，ET的能隙減小，電荷復(fù)合的能隙增大。這種效應(yīng)特別重要，因?yàn)殡姾墒荏w由于化學(xué)相互作用的增強(qiáng)而傾向于在缺陷附近結(jié)合。激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)的時(shí)域模擬提供了觀測現(xiàn)象的原子圖像，并詳細(xì)描述了電子狀態(tài)、振動(dòng)運(yùn)動(dòng)、非彈性和彈性電子聲子相互作用，以及電荷分離和重組過程的時(shí)間尺度。這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)該普遍適用于低維材料，因?yàn)樗鼈儽葔K狀半導(dǎo)體更能驅(qū)散缺陷應(yīng)變。我們的計(jì)算表明，碳納米管的性能對常見缺陷是穩(wěn)健的，中等缺陷對于碳納米管在能源、電子和相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用是必不可少的，而不是有害的。
圖1 a (6,5)碳納米管中的7557和SW缺陷b CNT/PDI異質(zhì)界面光誘導(dǎo)電荷動(dòng)力學(xué)的能級示意圖。
圖2 (a)原始CNT/PDI復(fù)合材料以及(b) 7557和(c) SW缺陷復(fù)合材料中CNT和PDI相互作用系統(tǒng)的投射態(tài)密度(PDOS)。
圖3 復(fù)合材料系統(tǒng)中電荷分離和復(fù)合動(dòng)力學(xué)中涉及的關(guān)鍵能態(tài)的示意圖。
圖4. 在(a)原始、(b) 7557和(c) SW復(fù)合材料中，光誘導(dǎo)ET中供體和受體狀態(tài)之間的能隙的傅里葉變換(FTs)。(d) CNT/PDI界面ET動(dòng)力學(xué)。
圖5 (a)原始、(b) 7557和(c) SW復(fù)合材料中e - h復(fù)合動(dòng)力學(xué)中供體和受體之間能隙的傅里葉變換(FTs)。(d)系統(tǒng)的e - h重組。
相關(guān)科研成果由美國南加州大學(xué)Oleg V. Prezhdo等人于2021年發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.（https://doi.org/10.1021/jacs.1c02325）上。原文：Common Defects Accelerate Charge Separation and Reduce Recombination in CNT/Molecule Composites: Atomistic Quantum Dynamics。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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