纳米尺度上的表面电子动力学

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1、纳米尺度上的表面电子动力学马薇焦扬丁子敬孟胜揭示物质结构、物质间相互作用及其运动规律为了研究的方便，加上很多重要应用中电子动是物理学永恒的主题。经过百多年来的努力，人们力学都在表面上进行，人们关注表面电子动力学。已明确了常见物质的基本结构：普通物质是由分子、表面电子动力学是电子动力学在凝聚态表面体系的离子、原子等组成。而作为基本单元的原子又是由具体体现，是电子动力学的一个重要分支，主要研电子和原子核两部分结合而成；欲了解物质结构和究分子和纳米体系与固体表面间的相互作用时的电运动规律就不得不深入地认识原子核周围的电子分子运动规律。它在各种实际应用如催化、生物传

2、感布和电子运动形式。原子的运动在相当程度上也是器、纳米电子学以及太阳能电池等，发挥着重要的由它们的电子结构和运动规律所决定和驱动的。所作用。然而，由于表面体系的复杂性，即使对于一以，电子动力学的研究对于理解基本物质组成和动些最简单的体系比如水分子和表面的作用，至今也力学规律、探索新奇的物理现象、发展新材料有着没有基于量子力学描述的全面理解。近几年，大量举足轻重的影响。的科研工作致力于研究分子水平上的界面微观结电子动力学的过程具有超快的时间尺度和超小构，和其中电子间的相互作用，以及界面上的动力的空间尺度的特点。通常人们使用玻恩-奥本海默近学行为，特别是界面处电

3、子的超快、实时动力学。似描述原子体系的运动规律。这一近似由德国科学在表面科学领域，该方向上的研究蓬勃兴起、进展家玻恩和他的学生奥本海默于1927年共同提出：他迅速。们认为由于原子核的质量一般比电子质量大很多，本文主要从三个方面：能源转化中的电子动力约大3～4个数量级，在相同的相互作用力下，原子学，利用表面电子动力学实现光学逻辑器件和表面核的速度要比电子的小很多，所以当原子核的分布电子动力学的超快测量出发，初步了解和认识表面发生微小变化时，电子能够迅速调整其运动状态以上电子相互作用的动力学过程。适应新的库仑场，而核对电子的轨道变化却不敏感。一、能源转化过程中的

4、表面电子动力学所以体系中的电子永远处于由原子构型所决定的基表面电子动力学有着丰富的研究内容和应用前态势能面上，也就是说原子的运动形式唯一决定了景，一个重要的例子就是它在能源转化光电器件中电子的运动。在玻恩-奥本海默近似下，求解薛定谔的应用。下面，我们首先以染料敏化太阳能电池方程时，各粒子相互作用中的势能项中原子核的坐（dye-sensitizedsolarcell,DSSC）为例，介绍表面标可视为常数，分子波函数就可以分解成电子波函电子动力学的研究进展。数和原子核波函数两部分。研究体系中原子核与电进入21世纪，随着不可再生资源的逐渐耗竭，子运动的问题，就变为

5、电子在固定的原子核电场中人类对于规模化可扩展的新能源需求越来越迫切。的运动问题。并且电子是质量、电荷、自旋等特征传统的硅太阳能电池虽然拥有很高的能量转换率，完全相同的粒子，对于分子结构的研究就由原来的但是成本太高，不适用于大规模生产。自瑞士科学多粒子体系简化为N个全同粒子体系的研究，大大家格兰泽尔（Grätzel）教授于1991年提出染料敏化简化了多粒子体系的复杂度。然而，在一些情况下，太阳能电池的概念之后，它越来越受到人们的关注。例如一些超快过程和涉及电子激发态的过程，玻恩-染料敏化太阳能电池是一种廉价的薄膜太阳能电奥本海默近似不再适用。电子的动力学不再唯

6、一决池，它是基于光敏电极（由吸收可见光的分子和透定于该时刻的原子核构型，而还与电子体系本身的明但便宜的半导体，通常是TiO2组成）和电解质，演化历史、电子和原子核耦合相关。无论是从理论将光能转化为电能的电化学装置。相对于传统高纯上还是实验上，对于电子动力学性质的精确描述和度、高成本的硅基太阳能电池，其制作材料价格低解释遇到了极大的挑战。廉，制作工艺简单，并且柔韧性好，可被制成软片，24卷第1期(总139期)·39·－6－3机械强度大，更有发展前景。这种装置的基本原理间为微秒（1微秒=10秒）到毫秒（1毫秒=10如图1：纳米晶体TiO2多孔薄膜作电子传输介质和

7、秒）量级），另一部分则同染料分子基态上的空穴（过衬底，将有机染料分子（敏化剂，可吸收光，类似程③，微秒量级）或者电解质中的空穴发生复合（过于绿叶中的叶绿素）吸附在TiO2上，使其受光激发程④，毫秒量级），造成能量损失。另一方面，失去后产生电子和空穴，光激发电子从染料分子的激发电子的染料分子被电解质溶液中的还原剂还原（纳态注入到TiO2的导带，然后扩散到导电基底后流入秒量级），电解质作为空穴传输介质将空穴传输到对外电路；另一方面，电解质作为空穴传输介质将空电极上（过程②），构成一个循环。在这个动力学过穴传输到对电极上，形成回路。程中，光激发产生的电子从染料分子

8、激发态注入到TiO2导带上，然后再传输到导电基底上，