Особенности экситонной динамики в молекулярных нанокластерах (J-агрегатах): автолокализация экситонов (Обзор)

Анотація

Представлены и всесторонне проанализированы экспериментальные результаты, демонстрирующие аномальное проявление хорошо известного для объемных кристаллов эффекта автолокализации экситонов в упорядоченных молекулярных нанокластерах, так называемых J-агрегатах. Основным структурным состоянием J-агрегатов являются одномерные (1D) молекулярные цепочки, между которыми реализуется слабая связь, а электронные возбуждения J-агрегатов представляют собой 1D экситоны Френкеля. Согласно континуальной теории Рашбы–Тоязавы, в J-агрегатах могут существовать только автолокализованные экситоны, так как для 1D экситонов должна наблюдаться их безбарьерная автолокализация при сколь угодно малой константе экситон-фононного взаимодействия g = ε_LR/2β, где ε_LR — энергия релаксации решетки, 2β — полуширина экситонной зоны. В противоположность этому, зачастую в экспериментах с J-агрегатами наблюдалось свечение только свободных экситонов, обладающих подвижностью. Использование правила Урбаха для анализа низкочастотного края в низкотемпературных спектрах экситонного поглощения показало, что в J-агрегатах может реализовываться как слабое (g < 1), так и сильное (g > 1) экситон-фононное взаимодействие. Более того, экспериментально продемонстрировано, что при определенных условиях в возбужденном состоянии J-агрегатов имеет место сосуществование свободных и автолокализованных экситонов, т.е. для 1D экситонов Френкеля установлено существование барьера автолокализации. Показаны и анализируются причины аномального сосуществования свободных и автолокализованных экситонов в J-агрегатах и продемонстрировано принципиально невозможное для объемных кристаллов управление эффективностью автолокализации экситонов в J-агрегатах за счет вариации величины g. Обсуждается альтернативная возможность интерпретации широкополосного свечения некоторых J-агрегатов, которое получило объяснение в рамках модели сильно локализованных экситонов, с использованием явления автолокализации экситонов.