Excitonic Hamiltonians voor het berekenen van optische absorptie spectra en opto-elektronische eigenschappen van moleculaire aggregaten en vaste stoffen

Dit protocol vergemakkelijkt de bouw van excitonische Hamiltonians voor de efficiënte berekening van zowel optische absorptiespectra als de meer complexe opto-elektronische eigenschappen van bulkmoleculaire materialen. Onze techniek breekt uiterst rekenintensieve kwantumchemische berekeningen op bulk moleculaire materialen in veel meer beheersbare berekeningen van enkele moleculen die worden uitgevoerd met behulp van gemeenschappelijke kwantumchemische software. Onze methode kan helpen computationeel begeleiden het ontwerp van opto-elektronische apparaten met behulp van organische materialen zoals fotovoltaïsche cellen of optische schakelaars voor glasvezelcommunicatie.

Nieuwe gebruikers moeten de procedure zoals beschreven zorgvuldig volgen, inclusief de voorgestelde bestandsnaamconventie en moeten controleren of elke stap zonder fouten is voltooid voordat u verdergaat. Voor het splitsen van een multimoleculerend systeem in individuele moleculen, gebruik de Python 2.7 script getMonomers. py om bestanden te genereren die de Cartesiaanse coördinaten bevatten voor atomen in individuele moleculen die het systeem samenstellen.

Geef de naam op van het bestand dat de geometrie van het systeem bevat en het aantal atomen in elk afzonderlijk molecuul dat deel uitmaakt van het systeem met behulp van de opdracht zoals aangegeven. Als u grondtoestandpunten voor atomen in afzonderlijke moleculen wilt genereren, stelt u een bestand met platte tekst op, chargeOptions genaamd. txt met de opties voor Gaussian dichtheid functionele theorie berekening van de atoompunt ladingen in de grond staat van een elektrisch neutraal molecuul.

Om een redelijk nauwkeurige ladingsverdeling voor overgangen met ladingsoverdrachtkarakter te verkrijgen, gebruik een functioneel lange waaiergecorrigeerde dichtheid, een voldoende grote basisreeks die minstens depolarisatiefuncties op niet-waterstofatomen, een superfijnintegratieraster, en een zeer strak zelfconsconsant gebiedsconvergentiecriterium omvat. Neem het trefwoord Nosymm op in het invoerbestand om ervoor te zorgen dat de atomaire coördinaten in het Uitvoerbestand van Gaussian in invoerrichtlijn worden geschreven. Stel de Gaussische invoerbestanden in voor alle afzonderlijke moleculen die deel uitmaken van het systeem met behulp van de parameters in de bestandskostenOptions.

txt met behulp van de aangegeven Bash script. Voer vervolgens de Gaussische berekeningen uit waarbij de uitvoerbestandsnaam wordt opgegeven als dezelfde als de invoer. com-bestandsnaam, maar met het extensielogboek.

Gebruik het Python 2.7-script getCHelpG. py om de CHelpG atomaire punt ladingen te extraheren uit de Gaussische uitgang bestanden met de uitbreiding log. Om de excitatie-energieën en overgangsdichtheden van individuele moleculen in het materiaal in aanwezigheid van een elektrostatische omgeving te berekenen, stelt u een platte tekstbestand op met de naam monomerOptions.

txt met een parameterset zoals voor de berekening van de atoompuntladingen en met een lage drempel voor het afdrukken van eigenvectorcomponenten idealiter ten minste de orde van één keer 10 tot de negatieve vijf. Stel de Gaussische invoerbestanden in voor de berekening van de excitatie-energieën en overgangsdichtheden van alle afzonderlijke moleculen in het materiaal in aanwezigheid van een elektrostatische omgeving die wordt vertegenwoordigd door de puntladingen op alle andere moleculen in het materiaal en geef het bestand monomer_n_wCh. com waar n is de monomeer nummer.

Voer vervolgens de Gaussische berekeningen uit waarbij de uitvoerbestandsnaam wordt opgegeven als dezelfde als de invoer. com-bestandsnaam, maar met het extensielogboek. De berekening slaat ook een controlepuntbestand op met dezelfde bestandsnaam, maar met de extensiechk.

Voor excitatie energie extractie voor heldere staten van individuele moleculen die deel uitmaken van het systeem uit de Gaussische output bestanden, kopieer de excitatie energieën voor de heldere opgewonden staten van individuele monomeren uit de Gaussian output bestanden met de uitbreiding log naar een platte tekst bestand genaamd all_energies.txt. In het dossier all_energies. txt, bewaar alleen de kolom die de numerieke waarden van de excitatie-energieën bevat.

Om de excitonische koppelingen te berekenen voor alle paren moleculen die deel uitmaken van het moleculaire systeem, gebruik dan eerst het hulpprogramma van de formuliercontrole van het aangegeven Bash-script om de controlepuntbestanden om te zetten naar een menselijk leesbaar formaat. Gebruik de Python 2.7-scriptswitchSign. py dat de naam van de Gaussian uitvoerbestand met de uitbreiding log en het aantal opgewonden toestanden n opgenomen in de berekening als input parameters neemt.

Gebruik de Multiwfn multifunctionele wavefunction analyzer om het overgangsdichtheidskubusbestand te schrijven op basis van het gaussische opgemaakte controlepuntbestand met de extensie fchk en het verwerkte Gaussian-uitvoerbestand met het extensielog2. Gebruik de makeOpt om installatiebestanden efficiënt te genereren met Multiwfn-verwerkingsopties voor alle fchk-bestanden in de huidige map. sh Bash script.

De bestanden hebben dezelfde namen als de fchk-bestanden met de extensie opt. Genereer vervolgens de kubusbestanden met de overgangsdichtheid in één batch met behulp van het aangegeven Bash-script en converteer de welpbestanden naar bestanden die expliciet de coördinaten van de centra van alle kubussen op het raster en de waarden van de overgangsdichtheid in de kubus specificeren met behulp van de kubusFormaat. py Python 2.7 script.

Voer de opdracht uit zoals aangegeven om de fcub-bestanden te gebruiken om de excitonische koppelingen tussen alle paren moleculen in het systeem te berekenen met behulp van de overgangsdichtheidskubusmethode. Zodra de berekeningen zijn voltooid, maakt u een leeg bestand met de naam all_couplings. txt en gebruik de Bash script zoals aangegeven om alle excitonische koppelingen te combineren in een enkel bestand.

Gebruik de setUpHam om de excitonische Hamiltoniaan op te zetten. py Python 2.7 script en de aangegeven terminal commando om de opgewonden staat energieën te combineren in de all_energies. txt-bestand en de excitonische koppelingen in de all_couplings.

txt-bestand in een enkel bestand dat de volledige excitonische Hamiltoniaanse matrix bevat. Hier wordt het optische absorptiespectrum van een aggregaat van zes YLD 124 moleculen verkregen uit een crosskorrelige Monte Carlo-simulatie die werd gebruikt om de excitonische Hamiltonian van de moleculen te berekenen. In deze tabel, de Hamiltonian voor dit systeem gebouwd zoals aangetoond kan worden waargenomen.

Omdat er zes moleculen zijn met slechts één heldere opgewonden toestand voor elk molecuul, werd een zes bij zes excitonische Hamiltonian gegenereerd wat resulteerde in zes overgangen. Het excitonmodel en de TDDFT spectra berekend met behulp van de WB97X dichtheid functioneel met de G31G * basis set hebben ook vergelijkbare vormen zoals gekenmerkt door Pearson's product-moment correlatiecoëfficiënt. Excitonic Hamiltonians gebouwd met behulp van ons protocol kan worden geparameteriseerd met elke quantum chemische methode waardoor studie van hoe benaderingen voor specifieke methoden invloed op de berekening nauwkeurigheid voor verschillende opto-elektronische parameters.

We hebben deze methode gebruikt om de optische absorptiespectra en de eerste hyperpolarizabiliteiten van moleculaire aggregaten te modelleren met inspanningen om de eigenschappen van bulkmoleculaire vaste stoffen nauwkeurig te modelleren.