Egzcytoniczne hamiltoniany do obliczania widm absorpcji optycznej i właściwości optoelektronicznych agregatów molekularnych i ciał stałych

Protokół ten ułatwia konstruowanie egcytonicznych hamiltonianów w celu efektywnego obliczania zarówno widm absorpcji optycznej, jak i bardziej złożonych właściwości optoelektronicznych materiałów masowych molekularnych. Nasza technika rozbija niezwykle intensywne obliczeniowo obliczenia chemii kwantowej na masowych materiałach molekularnych na znacznie łatwiejsze do wykonania obliczenia pojedynczych cząsteczek, które są wykonywane przy użyciu powszechnie stosowanego oprogramowania do chemii kwantowej. Nasza metoda może pomóc w obliczeniowym kierowaniu projektowaniem urządzeń optoelektronicznych wykorzystujących materiały organiczne, takie jak ogniwa fotowoltaiczne lub przełączniki optyczne do komunikacji światłowodowej.

Nowi użytkownicy powinni uważnie postępować zgodnie z opisaną procedurą, w tym sugerowaną konwencją nazewnictwa plików i powinni sprawdzić, czy każdy krok został wykonany bez błędów, zanim przejdą dalej. Do podziału systemu wielocząsteczkowego na pojedyncze cząsteczki należy użyć skryptu getMonomers w języku Python 2.7. py, aby wygenerować pliki, które zawierają współrzędne kartezjańskie dla atomów w poszczególnych cząsteczkach składających się na system.

Określ nazwę pliku, który zawiera geometrię układu i liczbę atomów w każdej pojedynczej cząsteczce, która tworzy system, za pomocą polecenia, jak wskazano. Aby wygenerować ładunki punktowe stanu podstawowego dla atomów w poszczególnych cząsteczkach, skonfiguruj zwykły plik tekstowy o nazwie chargeOptions. txt z opcjami obliczania teorii funkcjonału gęstości Gaussa atomowych ładunków punktowych w stanie podstawowym cząsteczki elektrycznie obojętnej.

Aby uzyskać w miarę dokładny rozkład ładunku dla przejść o charakterze przenoszenia ładunku, należy użyć funkcjonału o korekcji gęstości dalekiego zasięgu, wystarczająco dużego zestawu podstawowego, który zawiera co najmniej funkcje depolaryzacji na atomach niebędących wodorem, bardzo drobnej siatki integracji i bardzo ścisłego, samospójnego kryterium zbieżności pola. Dołącz słowo kluczowe Nosymm do pliku wejściowego, aby upewnić się, że współrzędne atomowe w pliku wyjściowym Gaussa są zapisane w orientacji wejściowej. Skonfiguruj gaussowskie pliki wejściowe dla wszystkich pojedynczych cząsteczek, które składają się na system, korzystając z parametrów w pliku chargeOptions.

txt za pomocą wskazanego skryptu Bash. Następnie uruchom obliczenia Gaussa, określając, że nazwa pliku wyjściowego jest taka sama jak nazwa wejściowa. com, ale z rozszerzeniem log.

Użyj skryptu Python 2.7 getCHelpG. py wyodrębnić atomowe ładunki punktowe CHelpG z plików wyjściowych Gaussa z dziennikiem rozszerzeń. Aby obliczyć energie wzbudzenia i gęstości przejścia poszczególnych cząsteczek w materiale w obecności środowiska elektrostatycznego, skonfiguruj zwykły plik tekstowy o nazwie monomerOptions.

txt z parametrem ustawionym jak do obliczania atomowych ładunków punktowych i z niskim progiem do drukowania składowych wektora własnego, najlepiej co najmniej rzędu jeden razy 10 do minus pięć. Skonfiguruj pliki wejściowe Gaussa do obliczania energii wzbudzenia i gęstości przejścia wszystkich pojedynczych cząsteczek w materiale w obecności środowiska elektrostatycznego reprezentowanego przez ładunki punktowe na wszystkich innych cząsteczkach w materiale i nazwij plik monomer_n_wCh. com, gdzie n jest liczbą monomeru.

Następnie uruchom obliczenia Gaussa, określając, że nazwa pliku wyjściowego jest taka sama jak nazwa pliku input. com, ale z dziennikiem rozszerzeń. Obliczenia zapiszą również plik punktu kontrolnego o tej samej nazwie, ale z rozszerzeniem chk.

W celu ekstrakcji energii wzbudzenia dla jasnych stanów poszczególnych cząsteczek tworzących układ z plików wyjściowych Gaussa, skopiuj energie wzbudzenia dla jasnych stanów wzbudzonych poszczególnych monomerów z plików wyjściowych Gaussa z logarytmem rozszerzenia do zwykłego pliku tekstowego o nazwie all_energies.txt. W pliku all_energies. txt, zachowaj tylko kolumnę, która zawiera wartości liczbowe energii wzbudzenia.

Aby obliczyć sprzężenia ekscytoniczne dla wszystkich par cząsteczek tworzących układ molekularny, najpierw użyj narzędzia do sprawdzania formularzy ze wskazanego skryptu Bash, aby przekonwertować pliki punktów kontrolnych na format czytelny dla człowieka. Użyj skryptu switchSign języka Python 2.7. py, który przyjmuje nazwę gaussowskiego pliku wyjściowego z rozszerzeniem log oraz liczbę stanów wzbudzonych n uwzględnionych w obliczeniach jako parametry wejściowe.

Użyj wielofunkcyjnego analizatora funkcji falowych Multiwfn, aby zapisać plik sześcianu gęstości przejścia na podstawie pliku punktu kontrolnego w formacie Gaussa z rozszerzeniem fchk i przetworzonego pliku wyjściowego Gaussa z rozszerzeniem log2. Aby efektywnie generować pliki instalacyjne z opcjami przetwarzania Multiwfn dla wszystkich plików fchk w bieżącym katalogu, użyj opcji makeOpt. sh Skrypt Bash.

Pliki będą miały takie same nazwy jak pliki fchk z rozszerzeniem opt. Następnie wygeneruj pliki sześcianów gęstości przejścia w jednej partii za pomocą wskazanego skryptu Bash i przekonwertuj pliki cub na pliki, które jawnie określają współrzędne środków wszystkich kostek na siatce oraz wartości gęstości przejścia wewnątrz sześcianu za pomocą cubeFormat. skrypt py Python 2.7.

Uruchom polecenie zgodnie ze wskazaniami, aby użyć plików fcub do obliczenia sprzężeń ekscytonowych między wszystkimi parami cząsteczek w systemie przy użyciu metody sześcianu gęstości przejścia. Po zakończeniu obliczeń utwórz pusty plik o nazwie all_couplings. txt i użyj skryptu Bash, jak wskazano, aby połączyć wszystkie sprzężenia ekscytoniczne w jeden plik.

Aby ustawić egcytoniczny hamiltonian, użyj skryptu setUpHam. py Python 2.7 i wskazanego polecenia terminala, aby połączyć energie stanu wzbudzonego w pliku all_energies. txt i sprzężenia ekscytonowe w all_couplings.

txt do jednego pliku, który zawiera pełną ekscytoniczną macierz Hamiltona. W tym miejscu pokazano widmo absorpcji optycznej agregacji sześciu cząsteczek YLD 124 uzyskanych z międzyziarnistej symulacji Monte Carlo, która została wykorzystana do obliczenia egcytonicznego hamiltonianu cząsteczek. W tej tabeli można zaobserwować hamiltonian dla tego układu skonstruowanego w sposób, jak pokazano.

Ponieważ istnieje sześć cząsteczek z tylko jednym jasnym stanem wzbudzonym dla każdej cząsteczki, wygenerowano egcytoniczny hamiltonian o wymiarach sześć na sześć, co dało sześć przejść. Model ekscytonów i widma TDDFT obliczone za pomocą funkcjonału gęstości WB97X ze zbiorem G31G*basis również mają podobne kształty, które charakteryzują się współczynnikiem korelacji iloczynu i momentu Pearsona. Egzcytoniczne hamiltoniany skonstruowane za pomocą naszego protokołu mogą być parametryzowane dowolną metodą chemii kwantowej, co pozwala na badanie, jak przybliżenia dla konkretnych metod wpływają na dokładność obliczeń dla różnych parametrów optoelektronicznych.

Wykorzystaliśmy tę metodę do modelowania widm absorpcji optycznej i pierwszych hiperpolaryzowalności agregatów molekularnych, a obecnie trwają prace nad dokładnym modelowaniem właściwości masowych molekularnych ciał stałych.