Введение к работе
Актуальность темы.
Прогресс в создании супрамолекулярных комплексов, достигнутый в последние годы, позволил вплотную приблизиться к решению проблемы обработки и хранения информации на молекулярном уровне и стимулировал появление молекулярной электроники [Л1]. Возникают перспективы создания новой элементной базы, основанной на устройствах молекулярной электроники. Работа этих устройств основана на изменении их оптических или других физических свойств при подаче на вход светового импульса. Подобные устройства могут стать основой вентильных элементов или элементов памяти в интегральных схемах со сверхвысоким уровнем интеграции и высокой скоростью передачи информации.
Для достижения высокого быстродействия, а также для исследования протекающих в таких устройствах физических процессов, подаваемый на вход световой импульс должен иметь малую длительность, что стало возможным с появлением лазеров, способных генерировать сверхкороткие импульсы [Л2].
Воздействие сверхкоротких электромагнитных импульсов на
молекулярные комплексы открыло принципиально новые возможности в
исследованиях строения вещества, которые являются одной из главных задач
радиофизики. В частности, воздействие сверхкороткими импульсами на
молекулу позволило изучать колебательное и вращательное
внутримолекулярное движение, фазовые переходы в твердых телах, динамику носителей в полупроводниках и так далее, а также управлять элементарными реакциями при помощи селективного воздействия.
Для использования молекулярного прибора в устройствах хранения информации, последний должен обладать двумя или более дискретными состояниями, отличающимися какими либо измеряемыми характеристиками. Основой для создания такого устройства может быть донорно-акцепторный комплекс. В данном случае, в качестве дискретных состояний выступают нейтральное состояние и состояние с иеиешшм ^MJJ^jiJSfc СОСТОЯНИЯ обладают сильно отличающимися макроск зпичЛИвЛМИЖтва!*, например
1 тщіїїт
восприимчивостью, что в принципе позволяет использовать донорно-акцепторный комплекс в качестве логических элементов электронных устройств.
Процессы сверхбыстрого переноса электрона [ЛЗ] требуют анализа с помощью адекватных моделей. Моделирование подобных процессов тем более важно, что позволяет подбирать условия, наиболее благоприятные для достижения максимальных эффектов, в основе которых лежит сверхбыстрый перенос заряда, и наиболее точно описать динамику развития системы, а также подсказывать направления для проведения дальнейших исследований. Поскольку обнаруженные процессы, в том числе зарядовая рекомбинация и разделение зарядов, протекают в фемтосекундной области, при их моделировании, как правило, необходимо учитывать когерентность электронных и колебательных состояний. Следовательно, можно предположить, что динамика сверхбыстрых процессов должна зависеть от приготовления начального состояния, т.е. от характеристик возбуждающего электромагнитного импульса.
Таким образом, изучение особенностей динамики сверхбыстрых электронных переходов в молекулярной системе при воздействии короткого электромагнитного импульса является актуальной задачей. В частности, особый интерес представляет влияние несущей частоты возбуждающего электромагнитного импульса на вероятность и характерное время заселения новых электронных состояний.
Заселенность образовавшихся электронных состояний проявляется на макроскопическом уровне в таких характеристиках среды как диэлектрическая проницаемость и может быть легко детектирована, что открывает путь для практического использования молекулярной системы в радиофизических устройствах обработки, хранения и передачи информации. Связь микроскопических величин с макроскопическими измеряемыми параметрами устанавливается формулой Кубо.
ЦельнкраббФМ-ямиыюсь создание модели, описывающей сверхбыстрые процессы в МОЛЯвуЭЮршоЙ «Системе, протекающие при ее взаимодействии с
5 электромагнитным излучением. В соответствии с этой целью были поставлены и решались следующие задачи:
-
исследование динамики сверхбыстрого переноса заряда в донорно-акцепторных комплексах в рамках двухуровневой стохастической модели с произвольным числом ядерных релаксационных мод, индуцированного коротким электромагнитным импульсом;
-
исследование динамики сверхбыстрого разделения и рекомбинации заряда в рамках трехуровневой стохастической модели с произвольным числом ядерных релаксационных мод;
3) исследование динамики сверхбыстрого заселения триплетного
состояния донора в процессах переноса электрона из синглетного состояния
донора на свободный радикал, образованного действием короткого
электромагнитного импульса, и определение условий, благоприятных для
заселения триплетного уровня;
4) расчет вероятности сверхбыстрого переноса электрона с участием
второго электронного возбужденного состояния молекул после воздействия на
систему короткого возбуждающего импульса;
5) исследование влияния несущей частоты возбуждающего
электромагнитного импульса на вероятность процессов разделения и
рекомбинации заряда.
Научная новизна:
-
впервые в рамках стохастической модели изучены особенности сверхбыстрых электронных переходов, индуцированных коротким электромагнитным импульсом, в донорно-акцепторных парах в полярных средах, характеризующихся несколькими релаксационными модами;
-
исследовано влияние несущей частоты короткого возбуждающего электромагнитного импульса на квантовый выход синглет-триплетной конверсии в трехуровневых системах.
Достоверность результатов и выводов диссертации определяется тщательной обоснованностью используемых моделей и применением строгих математических методов для решения поставленных задач, для которых
получены аналитические решения, а также совпадением полученных результатов с известными в литературе в предельных случаях. Погрешность применяемых численных методов контролировалась и не превышала 0.1%.
На защиту выносятся следующие положения;
1) в молекулярных комплексах, возбужденных коротким электромагнитным импульсом, характерное время нетеплового электронного переноса монотонно возрастает от самых коротких времен релаксации ядерной подсистемы до значений, превышающих самое длинное время релаксации ядерной подсистемы при изменении величины свободной энергии перехода —AG ОТ —Е ДО +, (,- энергия реорганизации ядерной подсистемы);
2) вероятность заселения триплетного состояния в процессах,
опосредованных заселением состояния с переносом заряда, возрастает от
значений, близких к нулю, до значений, близких к единице при изменении
величины свободной энергии перехода -AG от —Ег до +ЕГ;
3) при возбуждении молекулярного комплекса коротким
электромагнитным импульсом вероятность нетермического перехода в
состояние с разделением заряда может изменяться от значений, близких к
нулю, до значений, близких к единице с изменением частоты возбуждающего
излучения в пределах ширины полосы поглощения.
Апробация результатов работы.
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на
международном симпозиуме "Dynamics of Biological Process" (Билефельд, Германия, 1998г.), международной конференции "Diffusion Assisted reactions" (Реховот,
Израиль, 1999г.), международной конференции "Real time probing of elementary processes in liquids" (Париж, Франция, 2000г.), - ХХ-й международной конференции по фотохимии (Москва, 2001 г.),
7 - VIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2003).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях в научных журналах и материалах 4-х научных конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 132 страницы, включая 46 рисунков, 1 таблица. Нумерация рисунков, формул и таблиц двойная: первая цифра означает номер главы, вторая номер формулы (рисунка, таблицы) в этой главе. Список литературы содержит 150 наименований.
Личный вклад автора
Диссертантом самостоятельно проведены численные расчеты и обработка полученных результатов, а также разработано программное обеспечение для исследования динамики сверхбыстрых переходов. Постановка задачи, формулировка выводов, а также обсуждение результатов осуществлены совместно с научным руководителем.
