Hamiltonianos excitónicos para calcular espectros de absorción óptica y propiedades optoelectrónicas de agregados y sólidos moleculares

Este protocolo facilita la construcción de hamiltonianos excitónicos para el cálculo eficiente de espectros de absorción óptica y las propiedades optoelectrónicas más complejas de los materiales moleculares a granel. Nuestra técnica desglosa cálculos químicos cuánticos extremadamente intensivos computacionalmente en materiales moleculares a granel en cálculos mucho más manejables de moléculas individuales que se realizan utilizando software químico cuántico común. Nuestro método puede ayudar a guiar computacionalmente el diseño de dispositivos optoelectrónicos utilizando materiales orgánicos como células fotovoltaicas o interruptores ópticos para comunicaciones de fibra óptica.

Los nuevos usuarios deben seguir cuidadosamente el procedimiento descrito, incluida la convención de nombre de archivo sugerida, y deben comprobar que cada paso se ha completado sin errores antes de continuar. Para la división de un sistema multimolecular en moléculas individuales, utilice la secuencia de comandos getMonomers de Python 2.7. py para generar archivos que contienen las coordenadas cartesianas para los átomos en moléculas individuales que componen el sistema.

Especifique el nombre del archivo que contiene la geometría del sistema y el número de átomos en cada molécula individual que compone el sistema utilizando el comando como se indica. Para generar cargas de punto de estado de suelo para átomos en moléculas individuales, configure un archivo de texto sin formato llamado chargeOptions. txt con las opciones para el cálculo de la teoría funcional de densidad gaussiana de las cargas de punto atómico en el estado de suelo de una molécula eléctricamente neutra.

Para obtener una distribución de carga razonablemente precisa para transiciones con carácter de transferencia de carga, utilice una densidad corregida de largo alcance funcional, un conjunto de base suficientemente grande que incluya al menos funciones de despolarización en átomos no hidrógeno, una cuadrícula de integración superfino y un criterio de convergencia de campo autoconfestil muy ajustado. Incluya la palabra clave Nosymm en el archivo de entrada para asegurarse de que las coordenadas atómicas del archivo de salida gaussiano se escriben en orientación de entrada. Configure los archivos de entrada gaussianos para todas las moléculas individuales que componen el sistema utilizando los parámetros del archivo chargeOptions.

txt utilizando el script Bash indicado. A continuación, ejecute los cálculos gaussianos especificando que el nombre de archivo de salida sea el mismo que la entrada. com nombre de archivo, pero con el registro de extensión.

Utilice la secuencia de comandos getCHelpG de Python 2.7. py para extraer las cargas de punto atómico CHelpG de los archivos de salida gaussianos con el registro de extensión. Para calcular las energías de excitación y las densidades de transición de moléculas individuales en el material en presencia de un entorno electrostático, configure un archivo de texto sin formato denominado monomerOptions.

txt con un parámetro establecido en cuanto al cálculo de las cargas de punto atómico y con un umbral bajo para imprimir componentes eigenvector idealmente a por lo menos el orden de una por 10 a la negativa cinco. Configurar los archivos de entrada gaussianos para el cálculo de las energías de excitación y las densidades de transición de todas las moléculas individuales en el material en presencia de un entorno electrostático representado por las cargas puntuales en todas las demás moléculas del material y nombrar el archivo monomer_n_wCh. com donde n es el número de monómero.

A continuación, ejecute los cálculos gaussianos especificando que el nombre de archivo de salida sea el mismo que la entrada. com nombre de archivo, pero con el registro de extensión. El cálculo también guardará un archivo de punto de comprobación con el mismo nombre de archivo pero con la extensión chk.

Para la extracción de energía de excitación para estados brillantes de moléculas individuales que componen el sistema de los archivos de salida gaussianos, copie las energías de excitación para los estados excitados brillantes de los monómeros individuales de los archivos de salida gaussianos con el registro de extensión a un archivo de texto sin formato llamado all_energies.txt. En el all_energies archivo. txt, mantenga sólo la columna que contiene los valores numéricos de las energías de excitación.

Para calcular los acoplamientos excitónicos para todos los pares de moléculas que componen el sistema molecular, utilice primero la utilidad de comprobación de formularios del script Bash indicado para convertir los archivos de punto de control a formato legible para humanos. Utilice el script switchSign de Python 2.7. py que toma el nombre del archivo de salida gaussiano con el registro de extensión y el número de estados excitados n incluidos en el cálculo como parámetros de entrada.

Utilice el analizador de función de onda multifuncional Multiwfn para escribir el archivo de cubo de densidad de transición basado en el archivo de punto de control con formato gaussiano con la extensión fchk y el archivo de salida gaussiano procesado con la extensión log2. Para generar de forma eficiente archivos de instalación con opciones de procesamiento Multiwfn para todos los archivos fchk en el directorio actual, utilice makeOpt. sh Guión Bash.

Los archivos tendrán los mismos nombres que los archivos fchk con la opción de extensión. A continuación, genere los archivos de cubo de densidad de transición en un único lote utilizando el script Bash indicado y convierta los archivos cub en archivos que especifiquen explícitamente las coordenadas de los centros de todos los cubos de la cuadrícula y los valores de la densidad de transición dentro del cubo mediante cubeFormat. pi Python 2.7 script.

Ejecute el comando como se indica para utilizar los archivos fcub para calcular los acoplamientos excitónicos entre todos los pares de moléculas en el sistema utilizando el método de cubo de densidad de transición. Una vez completados los cálculos, cree un archivo vacío llamado all_couplings. txt y utilice el script Bash como se indica para combinar todos los acoplamientos excitónicos en un solo archivo.

Para configurar el Hamiltoniano excitónico, usa el setUpHam. py Python 2.7 script y el comando terminal indicado para combinar las energías de estado excitadas en el all_energies. txt y los acoplamientos excitónicos en el all_couplings.

txt en un único archivo que contiene la matriz hamiltoniana excitónica completa. Aquí, se muestra el espectro de absorción óptica de un agregado de seis YLD 124 moléculas obtenidas de una simulación de Monte Carlo de grano cruzado que se utilizó para calcular el Hamiltoniano excónico de las moléculas. En esta tabla, se puede observar el Hamiltoniano para este sistema construido como se demuestra.

Debido a que hay seis moléculas con un solo estado excitado brillante para cada molécula, se generó un Hamiltoniano excitónico de seis por seis que resultó en seis transiciones. El modelo exciton y los espectros TDDFT calculados utilizando la densidad WB97X funcional con el conjunto de base G31G* también tienen formas similares a las caracterizadas por el coeficiente de correlación producto-momento de Pearson. Los hamiltonianos excitónicos construidos con nuestro protocolo se pueden parametrizar con cualquier método químico cuántico que permita estudiar cómo las aproximaciones para métodos específicos afectan a la precisión del cálculo para varios parámetros optoelectrónicos.

Hemos utilizado este método para modelar los espectros de absorción óptica y las primeras hiperpolarizabilidades de agregados moleculares con esfuerzos en curso para modelar con precisión las propiedades de los sólidos moleculares a granel.