Hamiltonianos excitônicos para o cálculo de espectros de absorção óptica e propriedades optoeletrônicas de agregados moleculares e sólidos

Este protocolo facilita a construção de hamiltonianos excitônicos para o cálculo eficiente tanto dos espectros de absorção óptica quanto das propriedades optoeletrônicas mais complexas de materiais moleculares a granel. Nossa técnica divide cálculos químicos quânticos extremamente computacionais intensivos em materiais moleculares a granel em cálculos muito mais gerenciáveis de moléculas únicas que são realizadas usando software químico quântico comum. Nosso método pode ajudar a orientar computacionalmente o design de dispositivos optoeletrônicos usando materiais orgânicos, como células fotovoltaicas ou switches ópticos para comunicações de fibra óptica.

Novos usuários devem seguir cuidadosamente o procedimento conforme descrito, incluindo a convenção sugerida de filenaming e devem verificar se cada etapa foi concluída sem erro antes de seguir em frente. Para a divisão de um sistema multi-molecular em moléculas individuais, use o script Python 2.7 getMonomers. py para gerar arquivos que contêm as coordenadas cartesianas para átomos em moléculas individuais que compõem o sistema.

Especifique o nome do arquivo que contém a geometria do sistema e o número de átomos em cada molécula individual que compõe o sistema usando o comando como indicado. Para gerar cargas de pontos de estado terrestre para átomos em moléculas individuais, configure um arquivo de texto simples chamado chargeOptions. txt com as opções para cálculo da teoria funcional de densidade gaussiana das cargas de ponto atômico no estado terrestre de uma molécula eletricamente neutra.

Para obter uma distribuição de carga razoavelmente precisa para transições com caráter de transferência de carga, use uma densidade corrigida de longo alcance funcional, um conjunto de base suficientemente grande que inclui pelo menos funções de despolarização em átomos não-hidrogênio, uma grade de integração superfina, e um critério de convergência de campo muito apertado e auto-consistente. Inclua a palavra-chave Nosymm no arquivo de entrada para garantir que as coordenadas atômicas no arquivo de saída gaussiano sejam escritas na orientação de entrada. Configure os arquivos de entrada gaussianos para todas as moléculas individuais que compõem o sistema usando os parâmetros nas opções de carga de arquivo.

txt usando o script Bash indicado. Em seguida, execute os cálculos gaussianos especificando o nome do arquivo de saída para ser o mesmo que a entrada. nome de arquivo com, mas com o registro de extensão.

Use o script Python 2.7 getCHelpG. py para extrair as cargas de ponto atômico CHelpG dos arquivos de saída gaussiano com o registro de extensão. Para calcular as energias de excitação e as densidades de transição de moléculas individuais no material na presença de um ambiente eletrostático, configure um arquivo de texto simples chamado monomerOptions.

txt com um parâmetro definido quanto ao cálculo das cargas de ponto atômico e com um baixo limiar para impressão de componentes eigenvetores idealmente para pelo menos a ordem de uma vezes 10 para os cinco negativos. Configure os arquivos de entrada gaussianos para o cálculo das energias de excitação e densidades de transição de todas as moléculas individuais no material na presença de um ambiente eletrostático representado pelas cargas de pontos em todas as outras moléculas do material e nomeie o arquivo monomer_n_wCh. com onde n é o número monômero.

Em seguida, execute os cálculos gaussianos especificando o nome do arquivo de saída para ser o mesmo que a entrada. nome de arquivo com, mas com o registro de extensão. O cálculo também salvará um arquivo de ponto de verificação com o mesmo nome de arquivo, mas com a extensão chk.

Para extração de energia de excitação para estados brilhantes de moléculas individuais que compõem o sistema a partir dos arquivos de saída gaussianos, copie as energias de excitação para os estados brilhantes e animados de monômeros individuais dos arquivos de saída gaussianos com o registro de extensão para um arquivo de texto simples chamado all_energies.txt. No arquivo all_energies. txt, mantenha apenas a coluna que contém os valores numéricos das energias de excitação.

Para calcular os acoplamentos excitônicos para todos os pares de moléculas que compõem o sistema molecular, primeiro use o utilitário de verificação de formulário do script Bash indicado para converter os arquivos de ponto de verificação em formato ser lido por humanos. Use o switch de script Python 2.7Sign. py que leva o nome do arquivo de saída gaussiano com o registro de extensão e o número de estados animados n incluídos no cálculo como parâmetros de entrada.

Use o analisador multifuncional de função de onda Multiwfn para gravar o arquivo cubo de densidade de transição com base no arquivo de ponto de verificação formatado gaussiano com o fchk de extensão e o arquivo de saída gaussiano processado com o log de extensão2. Para gerar arquivos de configuração eficientemente com opções de processamento Multiwfn para todos os arquivos fchk no diretório atual, use o makeOpt. sh Script Bash.

Os arquivos terão os mesmos nomes dos arquivos fchk com a extensão opt. Em seguida, gere os arquivos cubos de densidade de transição em um único lote usando o script Bash indicado e converta os arquivos cub em arquivos que especificam explicitamente as coordenadas dos centros de todos os cubos na grade e os valores da densidade de transição dentro do cubo usando o cubeFormat. py Python 2.7 script.

Execute o comando conforme indicado para usar os arquivos fcub para calcular os acoplamentos excitônicos entre todos os pares de moléculas no sistema usando o método cubo de densidade de transição. Uma vez que os cálculos estejam concluídos, crie um arquivo vazio chamado all_couplings. txt e use o script Bash como indicado para combinar todos os acoplamentos excitônicos em um único arquivo.

Para configurar o hamiltoniano excitante, use a setUpHam. py Python 2.7 script e o comando terminal indicado para combinar as energias de estado animado no all_energies. txt file e os acoplamentos excitônicos no all_couplings.

txt file em um único arquivo que contém a matriz hamiltoniana completa excitônica. Aqui, mostra-se o espectro óptico de absorção de um agregado de seis moléculas YLD 124 obtidas a partir de uma simulação de Monte Carlo de grãos cruzados que foi usada para calcular o hamiltoniano excitônico das moléculas. Nesta tabela, o hamiltoniano para este sistema construído como demonstrado pode ser observado.

Como há seis moléculas com apenas um único estado brilhante animado para cada molécula, um Hamiltoniano excitônico de seis por seis foi gerado resultando em seis transições. O modelo exciton e o espectro TDDFT calculados usando a densidade WB97X funcional com o conjunto de base G31G*também têm formas semelhantes caracterizadas pelo coeficiente de correlação ponto de produto da Pearson. Hamiltonianos excitônicos construídos usando nosso protocolo podem ser parametrizados com qualquer método químico quântico que permita estudar como aproximações para métodos específicos afetam a precisão da computação para vários parâmetros optoeletrônicos.

Usamos este método para modelar o espectro de absorção óptica e as primeiras hiperpolarizabilidades de agregados moleculares com esforços contínuos para modelar com precisão as propriedades dos sólidos moleculares a granel.