Les Hamiltoniens excitoniques pour calculer les spectres d’absorption optique et les propriétés optoélectroniques des agrégats moléculaires et des solides

Ce protocole facilite la construction de Hamiltoniens excitoniques pour le calcul efficace des spectres d’absorption optique et des propriétés optoélectroniques plus complexes des matériaux moléculaires en vrac. Notre technique décompose les calculs chimiques quantiques extrêmement intensifs sur les matériaux moléculaires en vrac en calculs beaucoup plus gérables de molécules simples qui sont effectuées à l’aide d’un logiciel chimique quantique commun. Notre méthode peut aider à guider informatiquement la conception d’appareils optoélectroniques utilisant des matériaux organiques tels que les cellules photovoltaïques ou les commutateurs optiques pour les communications par fibre optique.

Les nouveaux utilisateurs doivent suivre attentivement la procédure telle que décrite, y compris la convention de nom de fichier suggérée et doivent vérifier que chaque étape a été accomplie sans erreur avant de passer à autre chose. Pour la division d’un système multimolé moléculaire en molécules individuelles, utilisez le script Python 2.7 getMonomers. py pour générer des fichiers qui contiennent les coordonnées cartésiennes pour les atomes dans les molécules individuelles qui composent le système.

Spécifiez le nom du fichier qui contient la géométrie du système et le nombre d’atomes dans chaque molécule individuelle qui constitue le système en utilisant la commande comme indiqué. Pour générer des charges au point d’état au sol pour les atomes dans des molécules individuelles, configurez un fichier en texte clair appelé chargeOptions. txt avec les options pour le calcul de théorie fonctionnelle de densité gaussienne des charges de point atomique dans l’état de sol d’une molécule électriquement neutre.

Pour obtenir une distribution de charge raisonnablement précise pour les transitions avec caractère de transfert de charge, utilisez une densité corrigée à longue portée fonctionnelle, un ensemble de base suffisamment grand qui comprend au moins des fonctions de dépolarisation sur les atomes non hydrogène, une grille d’intégration superfine et un critère de convergence de champ auto-cohérent très serré. Inclure le mot clé Nosymm dans le fichier d’entrée pour s’assurer que les coordonnées atomiques dans le fichier de sortie gaussien sont écrites en orientation d’entrée. Configurer les fichiers d’entrée gaussiens pour toutes les molécules individuelles qui composent le système en utilisant les paramètres de la charge de fichierOptions.

txt en utilisant le script Bash indiqué. Exécutez ensuite les calculs gaussiens spécifier le nom de fichier de sortie pour être le même que l’entrée. nom de fichier com, mais avec le journal d’extension.

Utilisez le script Python 2.7 getCHelpG. py pour extraire les charges de point atomique CHelpG des fichiers de sortie gaussiens avec le journal d’extension. Pour calculer les énergies d’excitation et les densités de transition des molécules individuelles dans le matériau en présence d’un environnement électrostatique, mettre en place un fichier en texte clair nommé monomerOptions.

txt avec un paramètre défini comme pour le calcul des charges de point atomique et avec un seuil bas pour l’impression des composants eigenvector idéalement à au moins l’ordre d’une fois 10 à cinq négatifs. Mettre en place les fichiers d’entrée gaussiens pour le calcul des énergies d’excitation et des densités de transition de toutes les molécules individuelles dans le matériau en présence d’un environnement électrostatique représenté par les charges de points sur toutes les autres molécules du matériau et nommer le fichier monomer_n_wCh. com où n est le numéro de monomère.

Exécutez ensuite les calculs gaussiens spécifier le nom de fichier de sortie pour être le même que l’entrée. nom de fichier com, mais avec le journal d’extension. Le calcul permettra également d’enregistrer un fichier de point de contrôle avec le même nom de fichier, mais avec le chk extension.

Pour l’extraction de l’énergie d’excitation pour les états lumineux des molécules individuelles qui composent le système à partir des fichiers de sortie gaussiens, copiez les énergies d’excitation pour les états lumineux excités des monomères individuels des fichiers de sortie gaussiens avec le journal d’extension à un fichier en texte clair appelé all_energies.txt. Dans le dossier all_energies. txt, ne gardez que la colonne qui contient les valeurs numériques des énergies d’excitation.

Pour calculer les couplages excitoniques pour toutes les paires de molécules qui composent le système moléculaire, utilisez d’abord l’utilitaire de vérification des formulaires du script Bash indiqué pour convertir les fichiers de point de contrôle en format lisible par l’homme. Utilisez le commutateur python 2.7 scriptSign. py qui prend le nom du fichier de sortie Gaussian avec le journal d’extension et le nombre d’états excités n inclus dans le calcul comme paramètres d’entrée.

Utilisez l’analyseur multifonctionnel multifonctionnelle de fonction d’onde pour écrire le fichier cube de densité de transition basé sur le fichier de point de contrôle formaté Gaussian avec le fchk d’extension et le fichier de sortie Gaussian traité avec le journal d’extension2. Pour générer efficacement des fichiers d’installation avec des options de traitement Multiwfn pour tous les fichiers fchk dans l’annuaire actuel, utilisez le makeOpt. sh Bash script.

Les fichiers auront les mêmes noms que les fichiers fchk avec l’extension opt. Ensuite, générer les fichiers cube de densité de transition dans un seul lot en utilisant le script Bash indiqué et convertir les fichiers cub en fichiers qui spécifient explicitement les coordonnées des centres de tous les cubes sur la grille et les valeurs de la densité de transition à l’intérieur du cube en utilisant le cubeFormat. py Python 2.7 script.

Exécutez la commande comme indiqué pour utiliser les fichiers fcub pour calculer les couplages excitoniques entre toutes les paires de molécules du système en utilisant la méthode du cube de densité de transition. Une fois les calculs terminés, créez un fichier vide appelé all_couplings. txt et utiliser le script Bash comme indiqué pour combiner tous les couplages excitoniques en un seul fichier.

Pour configurer l’excitonique Hamiltonien, utilisez le setUpHam. py Python 2.7 script et la commande terminale indiquée pour combiner les énergies d’état excité dans le all_energies. txt et les couplages excitoniques dans le all_couplings.

txt fichier dans un seul fichier qui contient la matrice complète excitonique hamiltonienne. Ici, le spectre d’absorption optique d’un agrégat de six molécules YLD 124 obtenues à partir d’une simulation à grain croisé de Monte Carlo qui a été utilisé pour calculer le Hamiltonien excitonique des molécules est montré. Dans ce tableau, on peut observer le Hamiltonien pour ce système construit comme démontré.

Parce qu’il y a six molécules avec seulement un seul état lumineux excité pour chaque molécule, un Hamiltonien excitonique de six par six a été généré ayant pour résultat six transitions. Le modèle exciton et les spectres TDDFT calculés à l’aide de la densité WB97X fonctionnelle avec l’ensemble de base G31G*ont également des formes similaires à celles caractérisées par le coefficient de corrélation produit-moment de Pearson. Les Hamiltoniens excitoniques construits à l’aide de notre protocole peuvent être paramétrisés avec n’importe quelle méthode chimique quantique permettant d’étudier comment les approximations de méthodes spécifiques affectent la précision du calcul pour divers paramètres optoélectroniques.

Nous avons utilisé cette méthode pour modéliser les spectres d’absorption optique et les premières hyperpolarizabilities des agrégats moléculaires avec des efforts continus pour modéliser avec précision les propriétés des solides moléculaires en vrac.