Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids

Dieses Protokoll erleichtert die Konstruktion von excitonic Hamiltonians für die effiziente Berechnung sowohl der optischen Absorptionsspektren als auch der komplexeren optoelektronischen Eigenschaften von Massenmolekülmaterialien. Unsere Technik gliedert extrem rechenintensive quantenchemische Berechnungen auf massenmolekularen Materialien in viel überschaubarere Berechnungen einzelner Moleküle, die mit gängiger quantenchemischer Software durchgeführt werden. Unsere Methode kann dabei helfen, das Design optoelektronischer Geräte mit organischen Materialien wie Photovoltaikzellen oder optischen Schaltern für die Glasfaserkommunikation rechnerisch zu steuern.

Neue Benutzer sollten das beschriebene Verfahren sorgfältig befolgen, einschließlich der vorgeschlagenen Dateibenennungskonvention, und überprüfen, ob jeder Schritt fehlerfrei abgeschlossen wurde, bevor sie fortfahren. Für die Aufteilung eines multimolekularen Systems in einzelne Moleküle verwenden Sie das Python 2.7-Skript getMonomers. py, um Dateien zu generieren, die die kartesischen Koordinaten für Atome in einzelnen Molekülen enthalten, aus denen das System besteht.

Geben Sie den Namen der Datei, die die Geometrie des Systems enthält, und die Anzahl der Atome in jedem einzelnen Molekül, aus dem das System besteht, mit dem Befehl wie angegeben an. Um Bodenzustandspunktladungen für Atome in einzelnen Molekülen zu erzeugen, richten Sie eine Klartextdatei namens chargeOptions ein. txt mit den Optionen für die gaussian dichte funktionelle Theorieberechnung der Atompunktladungen im Bodenzustand eines elektrisch neutralen Moleküls.

Um eine einigermaßen genaue Ladungsverteilung für Übergänge mit Ladungsübertragungscharakter zu erhalten, verwenden Sie eine funktionale, mit großer Reichweite korrigierte Dichte, einen ausreichend großen Basissatz, der zumindest Depolarisationsfunktionen auf Nicht-Wasserstoffatomen, ein superfeines Integrationsraster und ein sehr enges selbstkonsistentes Feldkonvergenzkriterium umfasst. Fügen Sie das Nosymm-Schlüsselwort in die Eingabedatei ein, um sicherzustellen, dass die atomaren Koordinaten in der Gaußschen Ausgabedatei in Eingabeausrichtung geschrieben werden. Richten Sie die Gaußschen Eingabedateien für alle einzelnen Moleküle ein, aus denen das System besteht, mit den Parametern in den DateichargeOptions.

txt mit dem angegebenen Bash-Skript. Führen Sie dann die Gaußschen Berechnungen aus, die angeben, dass der Ausgabedateiname mit der Eingabe identisch ist. com-Dateiname, aber mit dem Erweiterungsprotokoll.

Verwenden Sie das Python 2.7-Skript getCHelpG. py, um die CHelpG-Atompunktladungen aus den Gaußschen Ausgabedateien mit dem Erweiterungsprotokoll zu extrahieren. Um die Anregungsenergien und Übergangsdichten einzelner Moleküle im Material in Gegenwart einer elektrostatischen Umgebung zu berechnen, richten Sie eine Klartextdatei namens monomerOptions ein.

txt mit einem Parametersatz wie bei der Berechnung der Atompunktladungen und mit einem niedrigen Schwellenwert für den Druck von Eigenvektorkomponenten idealerweise in der Größenordnung von ein mal 10 bis zu den negativen fünf. Richten Sie die Gaußschen Eingabedateien für die Berechnung der Anregungsenergien und Übergangsdichten aller einzelnen Moleküle im Material in Gegenwart einer elektrostatischen Umgebung ein, die durch die Punktladungen auf alle anderen Moleküle im Material dargestellt wird, und benennen Sie die Datei monomer_n_wCh. com, wobei n die Monomernummer ist.

Führen Sie dann die Gaußschen Berechnungen aus, die angeben, dass der Ausgabedateiname mit der Eingabe identisch ist. com-Dateiname, aber mit dem Erweiterungsprotokoll. Die Berechnung speichert auch eine Prüfpunktdatei mit demselben Dateinamen, jedoch mit der Erweiterung chk.

Für die Anregungsenergieextraktion für helle Zustände einzelner Moleküle, aus denen das System aus den Gaußschen Ausgabedateien besteht, kopieren Sie die Anregungsenergien für die hell angeregten Zustände einzelner Monomere aus den Gaußschen Ausgabedateien mit dem Erweiterungsprotokoll in eine Klartextdatei namens all_energies.txt. In der Datei all_energies. txt, behalten Sie nur die Spalte, die die numerischen Werte der Anregungsenergien enthält.

Um die exzitonischen Kopplungen für alle Molekülpaare zu berechnen, aus denen das molekulare System besteht, verwenden Sie zunächst das Dienstprogramm zur Formularprüfung aus dem angegebenen Bash-Skript, um die Checkpoint-Dateien in ein lesbares Format zu konvertieren. Verwenden Sie das Python 2.7-Skript-SwitchSign. py, der den Namen der Gaußschen Ausgabedatei mit dem Erweiterungsprotokoll und der Anzahl der angeregten Zustände n in der Berechnung als Eingabeparameter annimmt.

Verwenden Sie den multifunktionalen Wavefunction-Analyzer Multiwfn, um die Übergangsdichte-Cubedatei basierend auf der gaußsschen formatierten Prüfpunktdatei mit der Erweiterung fchk und der verarbeiteten Gaußschen Ausgabedatei mit der Erweiterung log2 zu schreiben. Um Setupdateien mit Multiwfn-Verarbeitungsoptionen für alle fchk-Dateien im aktuellen Verzeichnis effizient zu generieren, verwenden Sie makeOpt. sh Bash-Skript.

Die Dateien haben die gleichen Namen wie die fchk-Dateien mit der Erweiterung opt. Generieren Sie dann die Cubedateien der Übergangsdichte in einem einzelnen Batch mit dem angegebenen Bash-Skript, und konvertieren Sie die cub-Dateien in Dateien, die explizit die Koordinaten der Zentren aller Cubes im Raster und die Werte der Übergangsdichte innerhalb des Cubes mithilfe des cubeFormat angeben. py Python 2.7 Skript.

Führen Sie den Befehl wie angegeben aus, um die fcub-Dateien zu verwenden, um die exzitonischen Kopplungen zwischen allen Molekülpaaren im System mit der Transition Density Cube-Methode zu berechnen. Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, erstellen Sie eine leere Datei mit dem Namen all_couplings. txt und verwenden Sie das Bash-Skript, wie angegeben, um alle excitonischen Kopplungen in einer einzigen Datei zu kombinieren.

Um den excitonic Hamiltonian einzurichten, verwenden Sie den setUpHam. py Python 2.7 Skript und der angegebene Terminal-Befehl, um die angeregten Zustand Energien in der all_energies zu kombinieren. txt-Datei und die exzitonischen Kopplungen im all_couplings.

txt-Datei in eine einzelne Datei, die die vollständige excitonic Hamiltonian Matrix enthält. Hierwird wird das optische Absorptionsspektrum eines Aggregats von sechs YLD 124 Molekülen aus einer kreuzkörnigen Monte-Carlo-Simulation gezeigt, die zur Berechnung des exzitonischen Hamiltonians der Moleküle verwendet wurde. In dieser Tabelle kann der Hamiltonian für dieses System, wie gezeigt, beobachtet werden.

Da es sechs Moleküle mit nur einem einzigen hell angeregten Zustand für jedes Molekül gibt, wurde ein sechs mal sechs erreger Erregung Hamiltonian erzeugt, was zu sechs Übergängen. Das Exzitonmodell und die TDDFT-Spektren, die mit der WB97X-Dichte funktional mit dem G31G*-Basissatz berechnet wurden, weisen ebenfalls ähnliche Formen auf, wie sie durch Pearsons Produkt-Moment-Korrelationskoeffizient gekennzeichnet sind. Excitonic Hamiltonians, die mit unserem Protokoll konstruiert wurden, können mit jeder quantenchemischen Methode parametriert werden, die es ermöglicht, zu untersuchen, wie Annäherungen für bestimmte Methoden die Berechnungsgenauigkeit für verschiedene optoelektronische Parameter beeinflussen.

Wir haben diese Methode verwendet, um die optischen Absorptionsspektren und die ersten hyperpolarisierbaren molekularen Aggregate zu modellieren, wobei wir uns bemühen, die Eigenschaften von Massen-Molekularkörpern genau zu modellieren.