Эта обзорная статья представляет собой универсальный инструмент для понимания состояния науки и освещает предстоящие вычислительные задачи, такие как моделирование большого количества атомов и явлений, которые пересекаются по масштабам, таких как взаимодействия в атомном масштабе, которые влияют на гораздо большие области.Ученые рассмотрели расчеты электронной структуры световых процессов в органических и полупроводниковых наноструктурах.
Они также рассмотрели, как эти расчеты способствовали нашему пониманию оптических свойств и динамики возбуждения наноструктур. В обзоре эти наноструктуры варьируются от нанокристаллов, называемых квантовыми точками с нулевой размерностью, до нанотрубок и изолированных полимерных цепочек органических полупроводников, которые представляют собой квазиодномерные материалы. Размер, форма и топология этих наноструктур определяют их свойства.
Размерность определяет «квантовое ограничение» в этих наноструктурах и влияет на электронную структуру и «фотофизику». Например, размер квантовой точки определяет ограничение электронного возбуждения, т.е. ширина запрещенной зоны электронов сильно зависит от размера квантовой точки. Кроме того, факторы, варьирующиеся от химии поверхности до структурного беспорядка, влияют на электронные свойства, а также на сбор света и перенос носителей в устройствах преобразования солнечной энергии. Ученые подчеркнули, как теория, моделирование и симуляция могут дополнять эксперименты, чтобы полностью понять и использовать электронные и структурные свойства.
Тем не менее, авторы определили проблемы, начиная от вычислительно неуправляемого количества атомов в крупномасштабных наноструктурах до сложности и многомасштабной природы важных оптических явлений, которые необходимо преодолеть.Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США (DOE) (Управление фундаментальных энергетических наук) (квантовые точки) и Центром интегрированных нанотехнологий, Управлением науки Министерства энергетики США; Лос-Аламосская национальная лаборатория (Лабораторные исследования и разработки); Национальный научный фонд (функционализированные однослойные нанотрубки); и исследовательская стипендия Альфреда П. Слоана (работа с полимерами).