Name: excitonic hamiltonians for calculating optical absorption spectra and optoelectronic properties of molecular aggregates and solids
Uploaded: 2020-05-27T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids at JoVE.com

Vi takker Dr. Andreas Tillack (Oak Ridge National Laboratory), Dr. Lewis Johnson (University of Washington), og Dr. Bruce Robinson (University of Washington) for at udvikle programmet for grovkornet Monte Carlo simuleringer, der blev brugt til at generere strukturen af det molekylære system, der præsenteres i repræsentanten Resultater sektion. A.A.K. og P.F.G. støttes af en forskningspris fra College of Science, CSU East Bay. M.H. er støttet af en Forever Pioneer stipendium fra Center for Student Research, CSU East Bay. C.M.I. og S.S. støttes af det amerikanske forsvarsministerium (forslag 67310-CH-REP) under Air Force Office of Scientific Research Organic Materials Division.

1. Opdeling af multimolekylært system i individuelle molekyler
<ol><li>Generer strukturen i det system, som den excitonic Hamiltonian skal konstrueres i Tripos MOL2 molekylære filformat. Denne struktur kan være et øjebliksbillede fra en molekylær dynamik eller Monte Carlo simulering af systemet.</li>
	<li>Hvis alle molekyler i systemet består af det samme antal atomer, skal du bruge python 2.7 script et getMonomers.py til at generere filer, der indeholder de kartesiske koordinater for atomer i individuelle moleky...

Den metode, der præsenteres her, giver mulighed for flere tilpasninger. For eksempel er det muligt at ændre parametrene for DFT- og TD-DFT-beregningerne, herunder tæthedsfunktionen, basissættet og den specifikke definition af atompunktladningerne.
Brug af langtrækkende korrigerede funktionsrum, såsom ωB97X, ωB97XD eller ωPBE, anbefales for at opnå en rimelig overgangstæthed for overgange med charge-transfer karakter. Det kan være interessant at undersøge , i hvilket omfang det spe...

I de seneste to årtier har faste stoffer og film, der er lavet af aggregerede organiske molekyler fundet flere applikationer i optoelektroniske enheder. Enheder baseret på sådanne materialer har mange attraktive egenskaber, herunder lille vægt, fleksibilitet, lavt strømforbrug og potentiale for billig produktion ved hjælp af inkjetudskrivning. Skærme baseret på organiske lysdioder (OLEDs) erstatter flydende krystallinske skærme som state of the art for mobiltelefoner, bærbare computere, tv-apparater og andre elektroniske enheder1,2,3,4. Ol-lysernes betydning for belysningsapplikationer forventes at stige i de kommende år4. Ydeevnen af organiske solceller er støt stigende, med magt konvertering effektivitetover 16% for nylig rapporteret for enkelt-junction organiske solceller5. Organiske materialer har også potentiale til at forstyrre andre teknologier, såsom fiberoptisk kommunikation, hvor deres anvendelse muliggør udvikling af elektrooptiske modulatorer med ekstremt høje båndbredder på 15 THz og over6,7.
En stor udfordring i at optimere solid-state molekylære materialer til applikationer i optoelektronik er, at typisk deres egenskaber stærkt afhænger af nanoskala struktur af materialet. Produktionsprocessen gør det muligt at definere nanostrukturen af et materiale til en vis grad ved hjælp af kontrollerede vækstteknikker, såsom kemisk dampaflejring,8 templating af optisk aktive molekyler på et andet materiale (dvs. en polymer matrix9,10), termisk glødning11,,12,osv. Men nanoskala lidelse er uløseligt forbundet med de fleste molekylære materialer og normalt ikke kan elimineres helt. Derfor er det afgørende for et organisk optoelektroniskmateriales rationelle design at forstå, hvordan lidelse påvirker et materiales egenskaber og finder måder at konstruere det på for at opnå optimal ydeevne.
Graden af uorden i molekylære materialer er normalt for stor til at behandle det som en forstyrrelse af en periodisk krystallinsk struktur med en elektronisk struktur, der kan beskrives ved bandteori. På den anden side er antallet af molekyler, der skal indgå i en simulering for at reproducere egenskaberne af et bulkmateriale eller en film, for stort til at bruge første principper kvantekemiske metoder som densitetsfunktionsteori (DFT)13,14 og tidsafhængig tæthed sfunktionsteori (TD-DFT)15,16. Organiske molekyler med anvendelser i optoelektronik har typisk relativt store π-konjugerede systemer; mange har også donor- og acceptgrupper. Indfangning af den korrekte charge-transfer adfærd i sådanne molekyler er afgørende for at beregne deres optoelektroniske egenskaber, men det kan kun ske ved hjælp af langtrækkende korrigeret hybrid funktionaler i TD-DFT17,18,19,20. Beregninger, der bruger sådanne funktionelle skala super lineært med størrelsen af systemet, og på nuværende tidspunkt, de er kun praktisk til modellering af optoelektroniske egenskaber af individuelle organiske molekyler eller små molekylære aggregater, der kan beskrives ved hjælp af ikke mere end ~ 104 atomare basis funktioner. En simuleringsmetode, der kan beskrive uordnede materialer, der består af et stort antal chromophores, ville være meget nyttig til modellering af disse systemer.
Omfanget af intermolekylære interaktioner i molekylære materialer kan ofte sammenlignes med eller mindre end rækkefølgen af variation i de energiske parametre (såsom eigenstate energier eller excitation energier) mellem de enkelte molekyler, der udgør materialet. I sådanne tilfælde er multiskalering af modellering den mest lovende tilgang til at forstå og optimere de optoelektroniske egenskaber ved store uordnede molekylære systemer21,22,23. Denne fremgangsmåde bruger første-principper kvante kemiske metoder (normalt DFT og TD-DFT) til præcist at beregne egenskaberne af de enkelte molekyler, der udgør materialet. Hamiltonian af en materialeprøve, der er stor nok til at repræsentere bulk molekylært materiale (måske ved at anvende periodiske grænsebetingelser) er derefter konstrueret ved hjælp af de parametre, der blev beregnet for de enkelte molekyler. Denne Hamiltonian kan derefter bruges til at beregne de optoelektroniske parametre for en stor molekylær aggregat, en tynd film, eller en bulk molekylært materiale.
Exciton modeller er en underklasse af multiskala modeller, hvor ophidsede tilstande af et molekylært materiale er repræsenteret i et grundlag af excitons: elektron-hul par, der er bundet af Coulomb attraktion24,25. For modellering mange ophidset tilstand processer, er det tilstrækkeligt kun at omfatte Frenkel excitons26, hvor elektronen og hullet er lokaliseret på samme molekyle. Charge overførsel excitons, hvor elektronen og hullet er lokaliseret på forskellige molekyler, kan være nødvendigt at indgå i nogle tilfælde (f.eks. når modellering afgift adskillelse i donor-acceptor systemer)27,28. Selv om exciton modeller er multiskala modeller, der kan parametrized ved hjælp af kun første-princip beregninger på de enkelte molekyler, de stadig tegner sig for intermolekylære interaktioner. De to primære interaktionstyper, som de kan tegne sig for, er (a) excitonic koblinger mellem molekyler, der karakteriserer excitatorernes evne til at udflytte på tværs eller overføre mellem molekyler og (b) elektrostatisk polarisering af elektrontætheden på et molekyle ved ladningsfordelingen på omgivende molekyler. Vi har tidligere vist, at begge disse faktorer er vigtige for modellering af de optiske og elektrooptiske egenskaber af molekylære aggregater, såsom den optiske absorption spektre29 og første hyperpolarizabilities30.
I dette papir præsenterer vi en protokol for parametrizing exciton modeller, der kan bruges til at beregne de optiske spektre og andre optoelektroniske egenskaber af store molekylære aggregater og bulk molekylære materialer. Den excitonic Hamiltonian antages at være en stram-bindende Hamiltonian24,25,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60598/60598equ01.jpg">
hvor εi er excitation energi ith molekyle i materialet, bij er den excitonic kobling mellem ith og jth molekyler, â i† og â jeg er skabelse og udslettelse operatører, henholdsvis for en ophidset tilstand på ith molekyle i materialet. De eksklusive hamiltonske parametre findes ved hjælp af TD-DFT beregninger, der udføres på de enkelte molekyler, der udgør materialet. I disse TD-DFT-beregninger repræsenteres ladningsfordelingen på alle andre molekyler i materialet ved elektrostatisk indlejring af atompunktladninger for at tage højde for elektrostatisk polarisering af et molekyles elektroniske tæthed. Excitationsenergierne, εi, for de enkelte molekyler tages direkte fra TD-DFT beregningoutput. De excitonic koblinger, bij, mellem molekyler beregnes ved hjælp af overgangen tæthed terning metode31, med jorden-til-ophidset tilstand overgang tætheder for de interagerende molekyler taget fra produktionen af en TD-DFT beregning i Gaussian32 og post-forarbejdet ved hjælp af Multiwfn multifunktionelle wavefunction analysator33. Til simulering af egenskaberne af bulk molekylære faste stoffer, periodiske grænsebetingelser kan anvendes på Hamiltonian.
Den aktuelle protokol kræver, at brugeren har adgang til Gaussian32- og Multiwfn33-programmerne. Protokollen er blevet testet ved hjælp af Gaussian 16, revision B1 og Multiwfn version 3.3.8, men bør også arbejde for andre nyere versioner af disse programmer. Desuden bruger protokollen en brugerdefineret C + + nytte og en række brugerdefinerede Python 2,7 og Bash scripts, kildekoden, som er fastsat under GNU General Public License (Version 3) på https://github.com/kocherzhenko/ExcitonicHamiltonian. Beregningerne er beregnet til at blive udført på en maskine, der kører et operativsystem fra Unix / Linux-familien.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Gaussian 16, revision B1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multiwfn version 3.3.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GNU compiler collection version 9.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>python 2.7.0</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

excitonic hamiltonians for calculating optical absorption spectra and optoelectronic properties of molecular aggregates and solids

Rationel tiskalering af uordnede molekylære aggregater og faste stoffer til optoelektroniske applikationer afhænger af vores evne til at forudsige sådanne materialers egenskaber ved hjælp af teoretiske og beregningsmæssige metoder. Store molekylære systemer, hvor lidelse er for signifikant til at blive betragtet i den forstyrrende grænse, kan dog ikke beskrives ved hjælp af enten de første principper kvantekemi eller bandteori. Multiskalering modellering er en lovende tilgang til at forstå og optimere optoelektroniske egenskaber af sådanne systemer. Det bruger første-principper kvante kemiske metoder til at beregne egenskaberne af de enkelte molekyler, derefter konstruerer model Hamiltonians af molekylære aggregater eller bulk materialer baseret på disse beregninger. I dette papir, præsenterer vi en protokol til at konstruere en stram-bindende Hamiltonian, der repræsenterer de ophidsede tilstande af et molekylært materiale i grundlaget for Frenckel excitons: elektron-hul par, der er lokaliseret på de enkelte molekyler, der udgør materialet. Den hamiltonske parametrisering, der foreslås her, tegner sig for excitonic-koblinger mellem molekyler samt for elektrostatisk polarisering af elektrontætheden på et molekyle ved ladningsfordelingen på omgivende molekyler. Sådanne model Hamiltonians kan bruges til at beregne optiskabsorption spektre og andre optoelektroniske egenskaber af molekylære aggregater og faste stoffer.

I dette afsnit præsenterer vi repræsentative resultater til beregning af det optiske absorptionsspektrum af et aggregat på seks YLD 124 molekyler, vist i figur 3a, hvor strukturen af den samlede blev opnået fra en grovkornet Monte Carlo simulering. YLD 124 er en prototypisk ladning-overførsel chromophore, der består af en elektron-donere gruppe af diethyl amin med tert-butyldimethylsilyl beskytte grupper, der er forbundet via en π-konjugeret bro til elektronen acceptere gruppe 2-(3-cy...

Watch this Scientific Journal Video about Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids at JoVE.com

Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids

Her præsenterer vi en protokol for parametrizing en stram-bindende excitonic Hamiltonian til beregning af optiske absorptionsspektre og optoelektroniske egenskaber af molekylære materialer fra første-principper kvante kemiske beregninger.

Excitonic Hamiltonians til beregning af optiskabsorptionsspektre og optoelektroniske egenskaber af molekylære aggregater og faste stoffer

Rational design of disordered molecular aggregates and solids for optoelectronic applications relies on our ability to predict the properties of such ...

Denne protokol letter konstruktionen af excitonic Hamiltonians til effektiv beregning af både optisk absorptionsspektre og de mere komplekse optoelektroniske egenskaber af bulkmolekylære materialer. Vores teknik nedbryder ekstremt beregningsmæssigt intensive kvantekemiske beregninger på bulk molekylære materialer i langt mere håndterbare beregninger af enkelte molekyler, der udføres ved hjælp af fælles kvantekemisk software. Vores metode kan hjælpe beregningsmæssigt guide udformningen af optoelektroniske enheder ved hjælp af organiske materialer såsom solceller eller optiske kontakter til fiberoptisk kommunikation.Nye brugere bør nøje følge proceduren som beskrevet, herunder den foreslåede filenaming konvention og bør kontrollere, at hvert trin er afsluttet uden fejl, før du går videre. For opdeling af et multimolekylært system i individuelle molekyler, skal du bruge Python 2.7 script getMonomers. py til at generere filer, der indeholder de kartesiske koordinater for atomer i individuelle molekyler, der udgør systemet.Angiv navnet på den fil, der indeholder systemets geometri, og antallet af atomer i hvert enkelt molekyle, der udgør systemet ved hjælp af kommandoen som angivet. Hvis du vil generere punktafgifter for jordtilstand for atomer i individuelle molekyler, skal du oprette en almindelig tekstfil kaldet chargeOptions. txt med mulighederne for Gaussisk tæthed funktionel teori beregning af atomare punkt afgifter i jorden tilstand af en elektrisk neutral molekyle.For at opnå en rimelig nøjagtig afgiftsfordeling for overgange med afgiftsoverførselskarakter skal du bruge en funktionsfunktion for korrigeret tæthed på lang afstand, et tilstrækkeligt stort basissæt, der omfatter i det mindste depolariseringsfunktioner på ikke-brintatomer, et superfint integrationsnet og et meget stramt selvkonsistent feltkonvergenskriterium. Medtag nøgleordet Nosymm i inputfilen for at sikre, at atomkoordinaterne i den gaussiske outputfil skrives i inputretning. Konfigurer de gaussiske inputfiler til alle de individuelle molekyler, der udgør systemet ved hjælp af parametrene i filgebyrerne.txt ved hjælp af det angivne Bash-script. Kør derefter de gaussiske beregninger, der angiver outputfilnavnet, så det er det samme som inputtet. com-filnavnet, men med filtypenavnet log.Brug Python 2.7 script getCHelpG. py at udtrække CHelpG atompunkt afgifter fra Gaussiske output filer med udvidelsen log. For at beregne excitation energier og overgang tætheder af de enkelte molekyler i materialet i overværelse af en elektrostatisk miljø, oprette en almindelig tekst fil med navnet monomerOptions.txt med en parameter, der er indstillet som til beregning af atompunktafgifterne og med en lav tærskel for trykning af eigenvectorkomponenter, helst i mindst en gange 10 til de negative fem. Konfigurer de gaussiske inputfiler til beregning af excitationsenergier og overgangstætheder af alle de enkelte molekyler i materialet i nærvær af et elektrostatisk miljø repræsenteret ved punktladningerne på alle andre molekyler i materialet og navngiver filen monomer_n_wCh. com, hvor n er monomernummeret.Kør derefter de gaussiske beregninger, der angiver outputfilnavnet, så det er det samme som inputtet. com-filnavnet, men med filtypenavnet log. Beregningen vil også gemme en checkpoint fil med samme filnavn, men med udvidelsen chk.For excitation energi udvinding for lyse tilstande af de enkelte molekyler, der udgør systemet fra Gaussiske output filer, kopiere excitation energier for de lyse ophidset tilstande af de enkelte monomerer fra Gaussiske output filer med udvidelsen log til en almindelig tekstfil kaldet all_energies.txt. I filen all_energies. txt, skal du kun beholde den kolonne, der indeholder de numeriske værdier af excitationsenergierne.For at beregne de excitoniske koblinger for alle par molekyler, der udgør det molekylære system, skal du først bruge formularkontrolværktøjet fra det angivne Bash-script til at konvertere checkpointfilerne til menneskeligt læsbart format. Brug scriptskiftet Python 2.7Sign. py, der tager navnet på den gaussiske outputfil med udvidelsesloggen og antallet af ophidsede tilstande n inkluderet i beregningen som inputparametre.Brug multiwfn multifunktionel bølgefunktionsanalysator til at skrive overgangstæthedskubefilen baseret på den gaussiske formaterede kontrolpunktfil med filtypenavnet fchk og den behandlede Gaussiske outputfil med udvidelseslogen2. Hvis du vil generere installationsfiler med multiwfn-behandlingsindstillinger for alle fchk-filer i den aktuelle mappe, skal du bruge makeOpt. sh Bash script.Filerne vil have de samme navne som fchk filer med udvidelsen vælge. Generer derefter overgangstæthedskubefilerne i et enkelt batch ved hjælp af det angivne Bash-script, og konverter cub-filerne til filer, der eksplicit angiver koordinaterne for centrene for alle kuber på gitteret og værdierne for overgangstætheden inde i kuben ved hjælp af kubeformatet. py Python 2,7 script.Kør kommandoen som angivet for at bruge fcub-filerne til at beregne de excitoniske koblinger mellem alle par molekyler i systemet ved hjælp af overgangstæthedskubemetoden. Når beregningerne er fuldført, skal du oprette en tom fil, der all_couplings. txt og bruge Bash script som angivet til at kombinere alle de excitonic koblinger i en enkelt fil.For at oprette den ophidsende Hamiltonian, skal du bruge setUpHam. py Python 2.7 script og den angivne terminal kommando til at kombinere ophidset tilstand energier i all_energies. txt-fil og excitoniske koblinger i all_couplings.txt fil i en enkelt fil, der indeholder den komplette excitonic Hamiltonian matrix. Her vises det optiske absorptionsspektrum af et aggregat på seks YLD 124 molekyler fremstillet af en krydskornet Monte Carlo simulering, der blev brugt til at beregne molekylernes excitoniske Hamiltonian. I denne tabel kan Hamiltonian for dette system konstrueret som påvist observeres.Fordi der er seks molekyler med kun en enkelt lys ophidset tilstand for hvert molekyle, en seks af seks excitonic Hamiltonian blev genereret resulterer i seks overgange. Exciton model og TDDFT spektre beregnet ved hjælp af WB97X tæthed funktionelle med G31G * basis sæt har også lignende former som karakteriseret ved Pearson's produkt-øjeblik korrelation koefficient. Excitonic Hamiltonians konstrueret ved hjælp af vores protokol kan parameteriseres med enhver kvante kemisk metode giver mulighed for undersøgelse af, hvordan tilnærmelser til specifikke metoder påvirker beregning nøjagtigheden for forskellige optoelektroniske parametre.Vi har brugt denne metode til at modellere den optiske absorptionsspektre og de første hyperpolarizabilities af molekylære aggregater med bestræbelser på at præcist modellere egenskaberne af bulk molekylære faste stoffer.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Chemistry

Chemical Bonding: Molecular Geometry and Bonding Theories

SCIENTISTS IN ACTION

Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

Kontrolleret Photoredox Ring-åbning polymerisering af O- Carboxyanhydrides medieret af Ni/Zn komplekser

Here, we describe an effective protocol that combines photoredox Ni/Ir catalysis with the use of a Zn-alkoxide for efficient ring-opening polymerization, ...

Total Internal Reflection Absorption Spectroscopy (TIRAS) for the Detection of Solvated Electrons at a Plasma-liquid Interface

Total Internal Reflection Absorption Spectroscopy TIRAS for the Detection of Solvated Electrons at a Plasma-liquid Interface

Total interne Reflection Absorption spektroskopi (TIRAS) til påvisning af Solvated elektroner på en Plasma-flydende Interface

The total internal reflection absorption spectroscopy (TIRAS) method presented in this article uses an inexpensive diode laser to detect solvated ...

Luminophore Formation in Various Conformations of Bovine Serum Albumin by Binding of Gold(III)

Luminophore Formation in Various Conformations of Bovine Serum Albumin by Binding of GoldIII

Luminophore dannelse i forskellige konformationer af bovint serumalbumin ved Binding af Gold(III)

The purpose of the presented protocols is to study the process of Au(III) binding to BSA, yielding conformation change-induced red fluorescence (&#955;em ...

Surface Properties of Synthesized Nanoporous Carbon and Silica Matrices

Overflade egenskaber af syntetiserede Nanoporous kulstof og Silica matricer

In this work, we report the synthesis and characterization of ordered nanoporous carbon material (also called ordered mesoporous carbon material [OMC]) ...

Design, Synthesis, and Photochemical Properties of Clickable Caged Compounds

Design, syntese, og foto kemiske egenskaber af klikbare Caged forbindelser

Caged compounds enable the photo-mediated manipulation of the cell physiology with high spatiotemporal resolution. However, the limited structural ...

Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

Vibrationelle spektre af en N719-Chromophore/Titania Interface fra empirisk-potentiel molekylær-dynamik simulering, solvated af en rumtemperatur ionisk væske

The accurate molecular simulation prediction of vibrational spectra, and other structural, energetic and spectral characteristics, of photo-active ...

Hyperspectral Imaging as a Tool to Study Optical Anisotropy in Lanthanide-Based Molecular Single Crystals

Hyperspektral billeddannelse som et værktøj til at studere optisk anisotropi i Lanthanide-baserede molekylære enkeltkrystaller

In this work, we describe a protocol for a novel application of hyperspectral imaging (HSI) in the analysis of luminescent lanthanide (Ln3+)-based ...

Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril

Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril

Kvantitativ SERS-påvisning af urinsyre via dannelse af præcise plasmoniske nanojunktioner inden for aggregater af guldnanopartikler og cucurbit[n]uril

This work describes a rapid and highly sensitive method for the quantitative detection of an important biomarker, uric acid (UA), via surface-enhanced ...

Line Shape Analysis of Dynamic NMR Spectra for Characterizing Coordination Sphere Rearrangements at a Chiral Rhenium Polyhydride Complex

Linjeformanalyse af dynamiske NMR-spektre til karakterisering af koordinationssfæreomlejringer ved et chiralt rheniumpolyhydridkompleks

Dynamic solution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is the typical method of characterizing the dynamic rearrangements of atoms within the ...

Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

Tuning oxid egenskaber ved ilt ledig kontrol under vækst og udglødning

Electrical, optical, and magnetic properties of oxide materials can often be controlled by varying the oxygen content. Here we outline two approaches for ...