Multiscale Molecular Dynamics Simulations of Enhanced Excitation Energy Transport in Organic Microcavities
Orgaaniset aurinkosähköratkaisut tarjoavat vaihtoehdon tavanomaisille piipohjaisille
aurinkokennoille, jotka tällä hetkellä hallitsevat globaaleja aurinkosähkömarkkinoita.
Huolimatta useista keskeisistä orgaanisten aurinkokennojen hyödyistä
verrattuna epäorgaanisiin aurinkokennoihin, energian kuljetus orgaanisissa
materiaaleissa on selvästi hitaampaa johtuen niiden rakenteellisesta epäjärjestyksestä.
Tästä epäjärjestyksestä aiheutuen viritysten kantajat liikkuvat vierekkäisten
molekyylipaikkojen välillä epäkoherenttien siirtymien avulla, mikä on tehotonta
verrattuna elektronien ja aukkojen liikkeeseen epäorgaanisissa materiaaleissa,
tehden orgaanisista aurinkokennoista huomattavasti epäorgaanisia tehottomampia.
Ratkaisuna tähän on esitetty molekulaaristen viritysten sekoittamista optisten
kaviteettien rajoitettujen valomoodien kanssa. Vahvan vuorovaikutuksen vallitessa
nämä kaksi osatekijää hybridisoituvat polaritoneiksi kutsutuiksi kvasihiukkasiksi,
joilla on sekä molekyyliviritysten että kaviteetin valomoodien ominaisuudet.
Polaritonien ryhmänopeuden vuoksi niiden etenemisen pitäisi olla
ballistista ja pitkän kantaman etenemistä. Kokeellisten tulosten mukaan polaritonien
eteneminen on kuitenkin monimutkaisempaa, ja se voi olla joko ballistista
tai diffuusiota riippuen valo-ainesysteemin parametreista. Saadaksemme atomitason
tietoa tästä ilmiöstä hyödynnämme monitasoista molekyylidynamiikkamallia,
jossa molekyylejä ja niiden kemiallista ympäristöä mallinnetaan käyttäen
kvantti- ja molekyylimekaniikan yhdistelmää. Tässä väitöskirjassa keskitymme
systemaattisesti tutkimaan viritysenergian kuljettamista orgaanisissa mikrokaviteeteissa.
Simulaatioiden tulosten perusteella esitämme yleisen mekanismin kaviteetin
tehostamalle kuljetukselle. Lisäksi tutkimme kuinka kuljetus muuttuu riippuen
polaritonien dispersiosta ja kaviteetin laatukertoimesta. Esitämme ja testaamme
myös käytännöllistä keinoa tehokkaaseen viritysenergian kuljetukseen
fotokemiallisen reaktion avulla. Uskomme, että tässä väitöskirjassa esitetyt näkemykset
tasoittavat tietä kohti molekyyli-kaviteettisysteemien rationaalista suunnittelua
koherenttia eksitonikuljetusta varten.
...
Organic photovoltaics provide an alternative to conventional silicon-based solar
cells, which currently dominate the global photovoltaics market. Despite several
critical advantages of organic solar cells over their inorganic counterparts,
the energy transport in organic materials is severely impeded by the structural
disorder, which makes the excitation carriers move by means of incoherent hops
between neighbouring molecular sites. This process is inefficient in comparison
with the motion of electrons and holes in inorganic materials, resulting in significantly
lower efficiencies of the organic solar cells. To address this challenge, mixing
molecular excitations with confined light modes of optical cavities has been
proposed. In the limit of strong interaction, these two constituents hybridize into
quasiparticles called polaritons, which inherit properties of both molecular excitons
and cavity light modes. Owing to the group velocity of polaritons, their
propagation should be ballistic and long-range. However, according to experiments,
the transport of polaritons is more intricate and can be either ballistic or
diffusive depending on the parameters of the light-matter system. To bring atomistic
insights into this phenomenon, we utilise a multiscale molecular dynamics
model based on a hybrid Quantum Mechanics/Molecular Mechanics description
of the molecules and their chemical environment. In this dissertation, we focus
on a systematic investigation of the excitation energy transport in organic microcavities.
The results of the performed simulations allow us to propose a general
mechanism of such a cavity-enhanced transport. Furthermore, we investigate
how the transport is modified along the polariton dispersion and with a change
in the cavity quality factor. We also suggest and test a practical means of efficient
excitation energy transport by a photochemical reaction. We believe that
the insights provided in the dissertation, pave the way towards rational design
of molecule-cavity systems for coherent exciton transport.
...
Publisher
Jyväskylän yliopistoISBN
978-952-86-0379-5ISSN Search the Publication Forum
2489-9003Contains publications
- Artikkeli I: Sokolovskii, I., Tichauer, R. H., Morozov, D., Feist, J., & Groenhof, G. (2023). Multi-scale molecular dynamics simulations of enhanced energy transfer in organic molecules under strong coupling. Nature Communications, 14, Article 6613. DOI: 10.1038/s41467-023-42067-y
- Artikkeli II: Tichauer, R. H., Sokolovskii, I., & Groenhof, G. (2023). Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton‐Polaritons through the Cavity Q‐factor. Advanced Science, 10(33), Article 2302650. DOI: 10.1002/advs.202302650
- Artikkeli III: Berghuis, A. M., Tichauer, R. H., de Jong, L. M. A., Sokolovskii, I., Bai, P., Ramezani, M., Murai, S., Groenhof, G., & Gómez Rivas, J. (2022). Controlling Exciton Propagation in Organic Crystals through Strong Coupling to Plasmonic Nanoparticle Arrays. ACS Photonics, 9(7), 2263-2272. DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00007
- Artikkeli IV: Sokolovskii, I., Luo, Y., Groenhof. G. Disentangling Enhanced Diffusion and Ballistic Motion of Excitons Coupled to Bloch Surface Waves with Molecular Dynamics Simulations. Submitted to ACS Photonics. Preprint
- Artikkeli V: Sokolovskii, I., & Groenhof, G. (2024). Photochemical initiation of polariton-mediated exciton propagation. Nanophotonics, 13(14), 2687-2694. DOI: 10.1515/nanoph-2023-0684
Metadata
Show full item recordCollections
- JYU Dissertations [859]
- Väitöskirjat [3582]
License
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Multi-scale molecular dynamics simulations of enhanced energy transfer in organic molecules under strong coupling
Sokolovskii, Ilia; Tichauer, Ruth H.; Morozov, Dmitry; Feist, Johannes; Groenhof, Gerrit (Springer, 2023)Exciton transport can be enhanced in the strong coupling regime where excitons hybridize with confined light modes to form polaritons. Because polaritons have group velocity, their propagation should be ballistic and ... -
Multiscale Molecular Dynamics Simulations of Polaritonic Chemistry
Luk, Hoi Ling; Feist, Johannes; Toppari, Jussi; Groenhof, Gerrit (American Chemical Society, 2017)When photoactive molecules interact strongly with confined light modes as found in plasmonic structures or optical cavities, new hybrid light-matter states can form, the so-called polaritons. These polaritons are coherent ... -
Tracking Polariton Relaxation with Multiscale Molecular Dynamics Simulations
Groenhof, Gerrit; Climent, Clàudia; Feist, Johannes; Morozov, Dmitry; Toppari, J. Jussi (American Chemical Society, 2019)When photoactive molecules interact strongly with confined light modes in optical cavities, new hybrid light-matter states form. They are known as polaritons and correspond to coherent superpositions of excitations of the ... -
Multi-scale dynamics simulations of molecular polaritons : the effect of multiple cavity modes on polariton relaxation
Tichauer, Ruth H.; Feist, Johannes; Groenhof, Gerrit (AIP Publishing, 2021)Coupling molecules to the confined light modes of an optical cavity is showing great promise for manipulating chemical reactions. However, to fully exploit this principle and use cavities as a new tool for controlling ... -
One molecule to couple them all : Toward realistic numbers of molecules in multiscale molecular dynamics simulations of exciton-polaritons
Sokolovskii, Ilia; Morozov, Dmitry; Groenhof, Gerrit (American Institute of Physics, 2024)Collective strong coupling of many molecules to the confined light modes of an optical resonator can influence the photochemistry of these molecules, but the origin of this effect is not yet fully understood. To provide ...