분자 응집체 및 고체의 광학 흡수 스펙트럼 및 광전자 적 특성을 계산하기위한 Excitonic Hamiltonians

요약

여기서, 우리는 제1 원리 양자 화학 계산에서 분자 물질의 광학 흡수 스펙트럼 및 광전자 적 특성을 계산하기 위한 단단한 결합 excitonic Hamiltonian을 파라메트화하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

초록

광전자 응용 을위한 무질서한 분자 응집체 및 고체의 합리적인 설계는 이론적 및 전산 방법을 사용하여 이러한 재료의 특성을 예측하는 우리의 능력에 의존한다. 그러나, 장애가 너무 중요한 큰 분자 시스템은 섭동 적 한계에서 고려될 수 없습니다 양자 화학 또는 밴드 이론을 사용하여 설명 할 수 없습니다. 멀티스케일 모델링은 이러한 시스템의 광전자적 특성을 이해하고 최적화하기 위한 유망한 접근 방식입니다. 그것은 개별 분자의 특성을 계산하기 위해 첫 번째 원리 양자 화학 방법을 사용하여, 다음 이러한 계산에 따라 분자 응집체 또는 벌크 재료의 모델 해밀턴을 구성합니다. 이 논문에서는, 우리는 Frenckel 엑시톤의 기초에 있는 분자 물자의 흥분한 상태를 나타내는 단단한 결합 Hamiltonian를 건설하기 위한 프로토콜을 제시합니다: 물질을 구성하는 개별 분자에 국한되는 전자 구멍 쌍. 여기에서 제안된 해밀턴 parametrization는 분자 사이 excitonic 커플링에 대 한 계정, 뿐만 아니라 주위 분자에 전하 분포에 의해 분자에 전자 밀도의 정전기 편광에 대 한. 이러한 모델 해밀턴은 분자 응집체 및 고체의 광학 흡수 스펙트럼 및 기타 광 전자 특성을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

서론

지난 2년 동안 응집된 유기 분자로 만들어진 고형물및 막은 광전자 장치에서 여러 응용 분야에서 발견되었습니다. 이러한 재료를 기반으로 하는 장치는 작은 무게, 유연성, 낮은 전력 소비 및 잉크젯 인쇄를 사용하여 저렴한 생산을 위한 잠재력을 포함하여 많은 매력적인 특성을 가지고 있습니다. 유기 발광 다이오드(OLED)를 기반으로 하는 디스플레이는 휴대 전화, 노트북, 텔레비전 세트 및 기타 전자 기기^{1,2,2,3,,4에}대한 최첨단으로 액정 디스플레이를 대체하고 있습니다. 조명 응용 프로그램에 대한 OLED의 중요성은 향후⁴년 동안 증가 할 것으로 예상된다. 유기 태양광 장치의 성능은 꾸준히 개선되고 있으며, 최근 단일 접합 유기 태양전지에 대해 16% 이상의 전력 변환 효율이^{보고되고 있다 5.} 유기 재료는 또한 광섬유 통신과 같은 다른 기술을 방해 할 수있는 잠재력을 가지고 있으며, 그 사용은 15 THz 및^6,

프로토콜

1. 다중 분자 시스템을 개별 분자로 분할

1. Excitonic Hamiltonian이 Tripos MOL2 분자 파일 형식으로 구성되어야하는 시스템의 구조를 생성합니다. 이 구조는 시스템의 분자 역학 또는 몬테 카를로 시뮬레이션에서 스냅 샷 이 될 수 있습니다.
2. 시스템의 모든 분자가 동일한 수의 원자로 구성된 경우, 파이썬 2.7 스크립트 getMonomers.py 사용하여 시스템을 구성하는 개별 분자에서 원자에 대한 카르테시안 좌표를 포함하는 파일을 생성합니다. 시스템을 구성하는 분자는 동일할 필요가 없습니다(예: 이소메러일 수 있음). 이 스크립트는 두 개의 입력 매개 변수를 사용합니다.
   1. 1.1단계(문자열)에서 시스템의 형상이 포함된 Tripos MOL2 파일의 이름을 지정합니다.
   2. 시스템을 구성하는 각 개별 분자의 원자 수를 지정합니다(정수). 이 단계를 완료하려면 다음 명령을 사용합니다.
      ./getMonomers.py YLD124-300K_0-210000.mol2 125
      Github에 샘플 파일 YLD124-300K_0-210000.mol2에 포함 된 구조를 걸립니다. 개별 분자의 카르테시안 좌표를 XYZ 형식으로N.com에monomer_ 파일에 기록하며, 여기서....

결과

이 섹션에서는 6개의 YLD 124 분자의 응집체의 광학 흡수 스펙트럼을 계산하기 위한 대표적인 결과를 제시하며, 그림 3a에나와 있는 이 곳에서 골재의 구조는 거친 몬테카를로 시뮬레이션으로부터 얻어졌다. YLD 124는 π를 통해 연결되는 테르-부틸디메틸실질 보호기를 가진 디에틸 아민의 전자 기증 그룹으로 구성된 프로토타입 전하 전달 염색체입니다. -전자 수용기 2-(3-시아노-4,5,5-트리메틸-5H-푸란-2-일리덴)-말로니트리릴(39)에 접합된 교량.³⁹ 이 분자는 큰 접지 상태 다이폴 모멘트, ~30 D. 개별 분자에 대한 전자 구조 계산은 6-31G* 기초 세트^35,,36을사용하여 기능적인 ωB97X^34를 사용하여 수행하였다. TD-DFT 계산은 Tamm-Danc.......

토론

여기에 제시된 메서드는 여러 사용자 지정을 허용합니다. 예를 들어, 밀도 기능, 기초 세트 및 원자점 전하의 특정 정의를 포함하여 DFT 및 TD-DFT 계산의 파라미터를 수정할 수 있습니다.

전하 전달 문자가 있는 전단에 대해 적절한 전이 밀도를 얻으려면 ωB97X, ωB97XD 또는 ωPBE와 같은 장거리 교정 기능을 사용하는 것이 좋습니다. 기능성(또는 정확한 교환량 또는 범위 분리 파라미터ω의 값과 같은 기능적 파라미터의 어느 정도)가 특정^{시스템(42,,43,,44)에}대해 계산된 광전자 특성에 영향을 미치는지 연구하는 것이 흥미로응일 수 있다.

해밀턴 패러멧화의 정확도는 더 큰 기준 세트를 사용하여 잠재적으로 향상될 수 있지만 계산 비용을 희생할 수 있습니다.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Gaussian 16, revision B1
Multiwfn 버전 3.3.8
GNU 컴파일러 컬렉션 버전 9.2
python 2.7.0