Hamiltoniani eccitonici per il calcolo degli spettri di assorbimento ottico e delle proprietà optoelettroniche di aggregati e solidi molecolari

Questo protocollo facilita la costruzione di hamiltoniani encitonici per il calcolo efficiente sia degli spettri di assorbimento ottico che delle proprietà optoelettroniche più complesse dei materiali molecolari sfusi. La nostra tecnica suddivide calcoli chimici quantistici estremamente computazalmente intensivi su materiali molecolari sfusi in calcoli molto più gestibili di singole molecole che vengono eseguite utilizzando il comune software chimico quantistico. Il nostro metodo può aiutare computazalmente a guidare la progettazione di dispositivi optoelettronici utilizzando materiali organici come celle fotovoltaiche o interruttori ottici per le comunicazioni in fibra ottica.

I nuovi utenti devono seguire attentamente la procedura descritta, inclusa la convenzione di denominazione dei file suggerita, e devono verificare che ogni passaggio sia stato completato senza errori prima di andare avanti. Per la divisione di un sistema multi-molecolare in singole molecole, usate lo script Python 2.7 getMonomers. py per generare file che contengono le coordinate cartesiane per gli atomi nelle singole molecole che compongono il sistema.

Specificare il nome del file che contiene la geometria del sistema e il numero di atomi in ogni singola molecola che costituisce il sistema utilizzando il comando come indicato. Per generare cariche dei punti dello stato fondamentale per gli atomi nelle singole molecole, impostate un file di testo normale denominato chargeOptions. txt con le opzioni per il calcolo della teoria funzionale della densità gaussiana delle cariche del punto atomico nello stato fondamentale di una molecola elettricamente neutra.

Per ottenere una distribuzione della carica ragionevolmente accurata per le transizioni con carattere di trasferimento di carica, utilizzare una densità corretta a lungo raggio funzionale, un insieme di basi sufficientemente grande che include almeno funzioni di depolarizzazione su atomi non idrogeno, una griglia di integrazione superfine e un criterio di convergenza dei campi auto-coerente molto stretto. Includere la parola chiave Nosymm nel file di input per assicurarsi che le coordinate atomiche nel file di output gaussiano siano scritte con orientamento di input. Impostate i file di input gaussiani per tutte le singole molecole che compongono il sistema utilizzando i parametri nel file chargeOptions.

txt utilizzando lo script Bash indicato. Quindi eseguire i calcoli gaussiani specificando che il nome del file di output è lo stesso dell'input. com ma con il registro delle estensioni.

Usa lo script Python 2.7 getCHelpG. py per estrarre le cariche del punto atomico CHelpG dai file di output gaussiani con il registro di estensione. Per calcolare le energie di eccitazione e le densità di transizione delle singole molecole nel materiale in presenza di un ambiente elettrostatico, impostare un file di testo normale denominato monomerOptions.

txt con un parametro impostato come per il calcolo delle cariche del punto atomico e con una soglia bassa per la stampa di componenti di autovettori idealmente ad almeno l'ordine di uno per 10 al -5. Impostare i file di input gaussiani per il calcolo delle energie di eccitazione e delle densità di transizione di tutte le singole molecole nel materiale in presenza di un ambiente elettrostatico rappresentato dalle cariche puntiche su tutte le altre molecole del materiale e denominare il file monomer_n_wCh. com dove n è il numero monomero.

Quindi eseguire i calcoli gaussiani specificando che il nome del file di output è lo stesso dell'input. com ma con il registro delle estensioni. Il calcolo salverà anche un file checkpoint con lo stesso nome di file ma con l'estensione chk.

Per l'estrazione di energia di eccitazione per stati luminosi di singole molecole che compongono il sistema dai file di output gaussiani, copiare le energie di eccitazione per gli stati eccitati luminosi dei singoli monomeri dai file di output gaussiani con il registro di estensione in un file di testo normale chiamato all_energies.txt. Nel file all_energies. txt, mantenere solo la colonna che contiene i valori numerici delle energie di eccitazione.

Per calcolare gli accoppiamenti encitonici per tutte le coppie di molecole che compongono il sistema molecolare, utilizzare prima l'utilità di controllo della forma dallo script Bash indicato per convertire i file del checkpoint in formato leggibile dall'uomo. Usa lo script python 2.7 switchSign. py che prende il nome del file di output gaussiano con il registro di estensione e il numero di stati eccitati n inclusi nel calcolo come parametri di input.

Utilizzare l'analizzatore multifunzione multifunzione Multiwfn per scrivere il file del cubo di densità di transizione basato sul file del checkpoint formattato gaussiano con estensione fchk e sul file di output gaussiano elaborato con il log estensioni2. Per generare in modo efficiente file di installazione con opzioni di elaborazione Multiwfn per tutti i file fchk nella directory corrente, utilizzare makeOpt. sh Bash script.

I file avranno gli stessi nomi dei file fchk con l'estensione opt. Generare quindi i file del cubo di densità di transizione in un singolo batch utilizzando lo script Bash indicato e convertire i file cub in file che specificano esplicitamente le coordinate dei centri di tutti i cubi sulla griglia e i valori della densità di transizione all'interno del cubo utilizzando cubeFormat. py Script Python 2.7.

Eseguire il comando come indicato per utilizzare i file fcub per calcolare gli accoppiamenti encitonici tra tutte le coppie di molecole nel sistema utilizzando il metodo del cubo di densità di transizione. Una volta completati i calcoli, creare un file vuoto denominato all_couplings. txt e utilizzare lo script Bash come indicato per combinare tutti gli accoppiamenti encitonici in un unico file.

Per impostare l'hamiltoniana encitonica, utilizzare setUpHam. py Script Python 2.7 e il comando terminale indicato per combinare le energie di stato eccitate nel all_energies. txt e gli accoppiamenti encitonici nella all_couplings.

txt in un unico file contenente la matrice hamiltoniana encitonica completa. Qui viene mostrato lo spettro di assorbimento ottico di un aggregato di sei molecole di YLD 124 ottenute da una simulazione monte carlo a grana incrociata che è stata utilizzata per calcolare l'hamiltoniana eccitonica delle molecole. In questa tabella si può osservare l'hamiltoniana per questo sistema costruito come dimostrato.

Poiché ci sono sei molecole con un solo stato eccitato luminoso per ogni molecola, è stata generata un hamiltoniana encitonica sei per sei con conseguente sei transizioni. Anche il modello eccitone e gli spettri TDDFT calcolati utilizzando la densità WB97X funzionale con il set di basi G31G* hanno forme simili a quella caratterizzata dal coefficiente di correlazione prodotto-momento di Pearson. Le hamiltoniani eccitoniche costruite utilizzando il nostro protocollo possono essere parametrizzate con qualsiasi metodo chimico quantistico permettendo lo studio di come le approssimazioni per metodi specifici influenzino l'accuratezza del calcolo per vari parametri optoelettronici.

Abbiamo usato questo metodo per modellare gli spettri di assorbimento ottico e le prime iperpolarizzazioni degli aggregati molecolari con sforzi in corso per modellare accuratamente le proprietà dei solidi molecolari sfusi.