中科大揭示核量子效應(yīng)在界面超快電荷轉(zhuǎn)移中的重要作用

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院趙瑾團(tuán)隊(duì)等發(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(dòng)力學(xué)具有很強(qiáng)的耦合，揭示了電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中核量子效應(yīng)的重要作用。

固體與分子界面是研究太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的最重要的原型體系之一，界面的光激發(fā)載流子動(dòng)力學(xué)是決定太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中，光激發(fā)在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這些激發(fā)態(tài)載流子再通過(guò)固體-分子界面轉(zhuǎn)移到分子上。

在許多固體-分子界面，分子之間會(huì)形成復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)子常常會(huì)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(dòng)耦合在一起。在這一過(guò)程中，科學(xué)家面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜的量子體系，不僅需要理解電子的動(dòng)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(dòng)的質(zhì)子，其本身的核量子效應(yīng)也不能忽略，這成為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)尚未解決的復(fù)雜問(wèn)題。

此次，趙瑾團(tuán)隊(duì)與李新征團(tuán)隊(duì)合作，利用趙瑾課題組發(fā)展的第一性原理激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)軟件HEFEI-NAMD，將第一性原理計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)兩種前沿的計(jì)算方法，即“非絕熱分子動(dòng)力學(xué)(NAMD)”與“路徑積分分子動(dòng)力學(xué)(PIMD)”相結(jié)合，解決了前述難題。

他們使用非絕熱分子動(dòng)力學(xué)來(lái)處理電子動(dòng)力學(xué)部分，并用基于路徑積分理論的環(huán)-聚合分子動(dòng)力學(xué)(RPMD)方法來(lái)處理核量子效應(yīng)。基于該方案，團(tuán)隊(duì)研究了CH3OH/TIO2（甲醇/二氧化鈦）界面的空穴轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)過(guò)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(huì)在網(wǎng)絡(luò)中頻繁轉(zhuǎn)移，這些質(zhì)子運(yùn)動(dòng)具有明顯的量子化行為。因此，吸附的甲醇分子對(duì)激發(fā)態(tài)空穴的捕獲能力由于質(zhì)子的量子化運(yùn)動(dòng)而顯著提升，從而提升光化學(xué)反應(yīng)的效率。這一結(jié)論在譚世京、王兵的掃描隧道顯微鏡(STM)實(shí)驗(yàn)中找到了證據(jù)。

前述研究一方面揭示了在分子-固體界面超快電荷轉(zhuǎn)移過(guò)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，為利用第一性原理計(jì)算研究核量子動(dòng)力學(xué)與電子動(dòng)力學(xué)的耦合，提供了新的工具。