Name: excitonic hamiltonians for calculating optical absorption spectra and optoelectronic properties of molecular aggregates and solids
Uploaded: 2020-05-27T13:00:00
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Wir danken Dr. Andreas Tillack (Oak Ridge National Laboratory), Dr. Lewis Johnson (University of Washington) und Dr. Bruce Robinson (University of Washington) für die Entwicklung des Programms für grobkörnige Monte-Carlo-Simulationen, das verwendet wurde, um die Struktur des molekularen Systems zu erzeugen, das im Abschnitt Repräsentative Ergebnisse vorgestellt wurde. A.A.K. und P.F.G. werden durch einen Collaborative Research Award des College of Science, CSU East Bay, unterstützt. M.H. wird von einem Forever Pioneer Stipendium des Center for Student Research, CSU East Bay, unterstützt. C.M.I. und S.S. werden vom US-Verteidigungsministerium (Vorschlag 67310-CH-REP) im Rahmen der Air Force Office of Scientific Research Organic Materials Division unterstützt.

1. Aufteilen des multimolekularen Systems in einzelne Moleküle
<ol><li>Generieren Sie die Struktur des Systems, für das der excitonic Hamiltonian im Molekulardateiformat Tripos MOL2 konstruiert werden muss. Diese Struktur kann eine Momentaufnahme einer molekularen Dynamik oder Monte-Carlo-Simulation des Systems sein.</li>
	<li>Wenn alle Moleküle im System aus der gleichen Anzahl von Atomen bestehen, verwenden Sie das Python 2.7-Skript getMonomers.py, um Dateien zu generieren, die die kartesischen Koordinaten für At...

Die hier vorgestellte Methode ermöglicht mehrere Anpassungen. Beispielsweise ist es möglich, die Parameter der DFT- und TD-DFT-Berechnungen zu ändern, einschließlich der Dichtefunktion, des Basissatzes und der spezifischen Definition der Atompunktladungen.
Es wird empfohlen, über weite Strecken korrigierte Funktionen wie z. B97X, B97XD oder PBE zu verwenden, um angemessene Übergangsdichten für Übergänge mit Ladungsübertragungscharakter zu erhalten. Es kann interessant sein zu untersu...

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Feststoffe und Folien, die aus aggregierten organischen Molekülen hergestellt werden, mehrere Anwendungen in optoelektronischen Geräten gefunden. Geräte, die auf solchen Materialien basieren, haben viele attraktive Eigenschaften, einschließlich geringem Gewicht, Flexibilität, geringem Stromverbrauch und Potenzial für eine billige Produktion mit Inkjet-Druck. Displays, die auf organischen Leuchtdioden (OLEDs) basieren, ersetzen flüssige kristalline Displays als State-of-the-Art für Mobiltelefone, Laptops, Fernsehgeräte und andere elektronische Geräte1,2,3,4. Die Bedeutung von OLEDs für Beleuchtungsanwendungen wird in den kommenden Jahren voraussichtlich zunehmen4. Die Leistung von organischen Photovoltaik-Geräten verbessert sich stetig, mit Leistungsumwandlungseffizienzen von über 16% kürzlich für Ein-Kreuzung organische Solarzellen5gemeldet. Organische Materialien haben auch das Potenzial, andere Technologien zu stören, wie glasfaserkommunikation, wo ihre Verwendung die Entwicklung von elektro-optischen Modulatoren mit extrem hohen Bandbreiten von 15 THz und mehr6,7ermöglicht.
Eine große Herausforderung bei der Optimierung von Festkörper-Molekularmaterialien für Anwendungen in der Optoelektronik besteht darin, dass ihre Eigenschaften in der Regel stark von der nanoskaligen Struktur des Materials abhängen. Der Produktionsprozess ermöglicht die Definition der Nanostruktur eines Materials bis zu einem gewissen Grad durch den Einsatz kontrollierter Wachstumstechniken, wie chemische Dampfabscheidung,8 Verformung von optisch aktiven Molekülen auf ein anderes Material (d.h. eine Polymermatrix9,10), thermisches Glühen11,12usw. Nanoskalenstörungen sind jedoch für die meisten molekularen Materialien intrinsisch und können in der Regel nicht vollständig beseitigt werden. Daher ist es für die rationale Gestaltung organischer optoelektronischer Materialien unerlässlich, zu verstehen, wie sich Unordnung auf die Eigenschaften eines Materials auswirkt, und Wege zu finden, es für eine optimale Leistung zu entwickeln.
Der Grad der Störung in molekularen Materialien ist in der Regel zu groß, um es als Störung einer periodischen kristallinen Struktur mit einer elektronischen Struktur zu behandeln, die durch Bandtheorie beschrieben werden kann. Andererseits ist die Anzahl der Moleküle, die in eine Simulation einbezogen werden müssen, um die Eigenschaften eines Schüttguts oder eines Films zu reproduzieren, zu groß, um erste Prinzipien quantenchemischer Methoden wie Dichtefunktionstheorie (DFT)13,14 und zeitabhängige Dichtefunktionstheorie (TD-DFT)15,16zu verwenden. Organische Moleküle mit Anwendungen in der Optoelektronik haben in der Regel relativ große , konjugierte Systeme; viele haben auch Spender- und Akzeptorgruppen. Die Erfassung des korrekten Ladungsübertragungsverhaltens in solchen Molekülen ist für die Berechnung ihrer optoelektronischen Eigenschaften unerlässlich, kann aber nur mit fernkorrigierten Hybridfunktionen in TD-DFT17,18,19,20erreicht werden. Berechnungen, die solche Funktionen verwenden, skalieren super linear mit der Größe des Systems und sind derzeit nur praktisch, um die optoelektronischen Eigenschaften einzelner organischer Moleküle oder kleiner molekularer Aggregate zu modellieren, die mit nicht mehr als 104 atomaren Basisfunktionen beschrieben werden können. Eine Simulationsmethode, die ungeordnete Materialien beschreiben könnte, die aus einer großen Anzahl von Chromophoren bestehen, wäre sehr nützlich für die Modellierung dieser Systeme.
Die Größe intermolekularer Wechselwirkungen in molekularen Materialien ist oft vergleichbar oder kleiner als die Reihenfolge der Variation der energetischen Parameter (wie die Eigenstate-Energien oder Anregungsenergien) zwischen einzelnen Molekülen, aus denen das Material besteht. In solchen Fällen ist Multiskalenmodellierung der vielversprechendste Ansatz, um die optoelektronischen Eigenschaften großer ungeordneter molekularer Systeme zu verstehen und zu optimieren21,22,23. Dieser Ansatz verwendet quantenchemische Methoden erster Prinzipien (in der Regel DFT und TD-DFT), um die Eigenschaften einzelner Moleküle, aus denen das Material besteht, genau zu berechnen. Der Hamiltonian einer Materialprobe, die groß genug ist, um das Massenmolekülmaterial darzustellen (vielleicht durch die Verwendung periodischer Randbedingungen), wird dann mit den Parametern konstruiert, die für einzelne Moleküle berechnet wurden. Dieser Hamiltonian kann dann verwendet werden, um die optoelektronischen Parameter eines großen molekularen Aggregats, eines dünner Films oder eines Massenmolekülmaterials zu berechnen.
Exciton-Modelle sind eine Unterklasse von Multiskalenmodellen, in denen angeregte Zustände eines molekularen Materials auf der Basis von Exzitendargestellt werden: Elektronenlochpaare, die durch Die Coulomb-Attraktion24,25gebunden sind. Für die Modellierung vieler angeregter Zustandsprozesse reicht es aus, nur Frenkel-Exzitonen26einzubeziehen, bei denen das Elektron und das Loch auf demselben Molekül lokalisiert sind. Ladungsübertragungsexztonen, bei denen das Elektron und das Loch auf verschiedenen Molekülen lokalisiert sind, müssen in einigen Fällen (z. B. bei der Modellierung der Ladungstrennung in Spender-Akzeptor-Systemen)27,28enthalten sein. Obwohl Exciton-Modelle Multiskalenmodelle sind, die nur mit Berechnungen des ersten Prinzips an einzelnen Molekülen parametrisiert werden können, berücksichtigen sie immer noch intermolekulare Wechselwirkungen. Die beiden primären Wechselwirkungstypen, die sie berücksichtigen können, sind (a) exzitonische Kopplungen zwischen Molekülen, die die Fähigkeit von Exziten charakterisieren, sich zwischen Molekülen zu delokalisieren oder zwischen Molekülen zu übertragen, und (b) elektrostatische Polarisation der Elektronendichte auf einem Molekül durch die Ladungsverteilung auf umgebenden Molekülen. Wir haben bereits gezeigt, dass beide Faktoren wichtig für die Modellierung der optischen und elektrooptischen Eigenschaften molekularer Aggregate sind, wie z. B. die optischen Absorptionsspektren29 und die ersten hyperpolarisierbaren30.
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll zur Parametrisierung von Exzitonmodellen vor, mit dem die optischen Spektren und andere optoelektronische Eigenschaften großer molekularer Aggregate und Massenmolekülmaterialien berechnet werden können. Der excitonic Hamiltonian wird angenommen, dass ein eng bindender Hamiltonian24,25,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60598/60598equ01.jpg">
wobei i die Anregungsenergie des i.th Moleküls im Material, bij, die exzitationische Kopplung zwischen den ith- und den jj-th-Molekülen ist, sind i iund ii die Erzeugungs- bzw. Vernichtungsoperatoren für einen angeregten Zustand auf dem ith Molekül im Material.th Die exzitonic Hamiltonian Parameter werden mit TD-DFT-Berechnungen gefunden, die auf einzelnen Molekülen durchgeführt werden, aus denen das Material besteht. In diesen TD-DFT-Berechnungen wird die Ladungsverteilung auf alle anderen Moleküle im Material durch elektrostatische Einbettung von Atompunktladungen dargestellt, um die elektrostatische Polarisation der elektronischen Dichte eines Moleküls zu berücksichtigen. Die Anregungsenergien, ii, für einzelne Moleküle werden direkt aus dem TD-DFT-Berechnungsausgang entnommen. Die excitonischen Kopplungen, bij, zwischen Molekülen werden mit der Transition Density Cube Methode31berechnet, wobei die boden-zu-erregten Zustandsübergangsdichten für die interagierenden Moleküle aus der Ausgabe einer TD-DFT-Berechnung in Gauß-3232 entnommen und mit dem Multiwfn-Multifunktions-Wellenfunktionsanalysator33nachbearbeitet werden. Multiwfn Zur Simulation der Eigenschaften von Massenmolekülfeststoffen können periodische Randbedingungen auf den Hamiltonian angewendet werden.
Das aktuelle Protokoll erfordert, dass der Benutzer Zugriff auf die Programme Gaussian32 und Multiwfn33 hat. Das Protokoll wurde mit Gauß'sche 16, Revision B1 und Multiwfn Version 3.3.8 getestet, sollte aber auch für andere aktuelle Versionen dieser Programme funktionieren. Darüber hinaus verwendet das Protokoll ein benutzerdefiniertes C++-Dienstprogramm und eine Reihe von benutzerdefinierten Python 2.7- und Bash-Skripten, deren Quellcode unter der GNU General Public License (Version 3) zur https://github.com/kocherzhenko/ExcitonicHamiltonian bereitgestellt wird. Die Berechnungen sollen auf einem Computer ausgeführt werden, auf dem ein Betriebssystem aus der Unix/Linux-Familie ausgeführt wird.

<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

Die rationelle Konstruktion ungeordneter molekularer Aggregate und Feststoffe für optoelektronische Anwendungen beruht auf unserer Fähigkeit, die Eigenschaften solcher Materialien mit theoretischen und rechnerischen Methoden vorherzusagen. Große molekulare Systeme, bei denen eine Störung zu signifikant ist, um in der Störgrenze berücksichtigt zu werden, können jedoch weder mit den ersten Prinzipien der Quantenchemie noch mit der Bandtheorie beschrieben werden. Multiscale-Modellierung ist ein vielversprechender Ansatz, um die optoelektronischen Eigenschaften solcher Systeme zu verstehen und zu optimieren. Es verwendet erste Prinzipien quantenchemische Methoden, um die Eigenschaften einzelner Moleküle zu berechnen, dann konstruiert Modell Hamiltonians von molekularen Aggregaten oder Schüttgütern auf der Grundlage dieser Berechnungen. In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll zur Konstruktion eines eng bindenden Hamiltonian vor, das die angeregten Zustände eines molekularen Materials auf der Basis von Frenckel-Exziten darstellt: Elektronen-Loch-Paare, die auf einzelnen Molekülen lokalisiert sind, aus denen das Material besteht. Die hier vorgeschlagene Hamiltonsche Parametrisierung berücksichtigt exzitonische Kopplungen zwischen Molekülen sowie eine elektrostatische Polarisation der Elektronendichte auf einem Molekül durch die Ladungsverteilung auf umgebenden Molekülen. Ein solches Modell Hamiltonians kann verwendet werden, um optische Absorptionsspektren und andere optoelektronische Eigenschaften von molekularen Aggregaten und Feststoffen zu berechnen.

In diesem Abschnitt stellen wir repräsentative Ergebnisse für die Berechnung des optischen Absorptionsspektrums eines Aggregats von sechs YLD 124 Molekülen vor, die in Abbildung 3adargestellt sind, wo die Struktur des Aggregats aus einer grobkörnigen Monte-Carlo-Simulation gewonnen wurde. YLD 124 ist ein prototypisches Ladungstransfer-Chromophor, das aus einer elektronen-fördernden Gruppe von Diethylamin mit Tert-Butyldimethylsilyl-Schutzgruppen besteht, die über eine -konjugierte<...

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

Hier stellen wir ein Protokoll zur Parametrisierung eines eng bindenden exzitonischen Hamiltonian zur Berechnung optischer Absorptionsspektren und optoelektronischer Eigenschaften molekularer Materialien aus quantenchemischen Berechnungen erster Prinzipien vor.

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

Dieses Protokoll erleichtert die Konstruktion von excitonic Hamiltonians für die effiziente Berechnung sowohl der optischen Absorptionsspektren als auch der komplexeren optoelektronischen Eigenschaften von Massenmolekülmaterialien. Unsere Technik gliedert extrem rechenintensive quantenchemische Berechnungen auf massenmolekularen Materialien in viel überschaubarere Berechnungen einzelner Moleküle, die mit gängiger quantenchemischer Software durchgeführt werden. Unsere Methode kann dabei helfen, das Design optoelektronischer Geräte mit organischen Materialien wie Photovoltaikzellen oder optischen Schaltern für die Glasfaserkommunikation rechnerisch zu steuern.Neue Benutzer sollten das beschriebene Verfahren sorgfältig befolgen, einschließlich der vorgeschlagenen Dateibenennungskonvention, und überprüfen, ob jeder Schritt fehlerfrei abgeschlossen wurde, bevor sie fortfahren. Für die Aufteilung eines multimolekularen Systems in einzelne Moleküle verwenden Sie das Python 2.7-Skript getMonomers. py, um Dateien zu generieren, die die kartesischen Koordinaten für Atome in einzelnen Molekülen enthalten, aus denen das System besteht.Geben Sie den Namen der Datei, die die Geometrie des Systems enthält, und die Anzahl der Atome in jedem einzelnen Molekül, aus dem das System besteht, mit dem Befehl wie angegeben an. Um Bodenzustandspunktladungen für Atome in einzelnen Molekülen zu erzeugen, richten Sie eine Klartextdatei namens chargeOptions ein. txt mit den Optionen für die gaussian dichte funktionelle Theorieberechnung der Atompunktladungen im Bodenzustand eines elektrisch neutralen Moleküls.Um eine einigermaßen genaue Ladungsverteilung für Übergänge mit Ladungsübertragungscharakter zu erhalten, verwenden Sie eine funktionale, mit großer Reichweite korrigierte Dichte, einen ausreichend großen Basissatz, der zumindest Depolarisationsfunktionen auf Nicht-Wasserstoffatomen, ein superfeines Integrationsraster und ein sehr enges selbstkonsistentes Feldkonvergenzkriterium umfasst. Fügen Sie das Nosymm-Schlüsselwort in die Eingabedatei ein, um sicherzustellen, dass die atomaren Koordinaten in der Gaußschen Ausgabedatei in Eingabeausrichtung geschrieben werden. Richten Sie die Gaußschen Eingabedateien für alle einzelnen Moleküle ein, aus denen das System besteht, mit den Parametern in den DateichargeOptions.txt mit dem angegebenen Bash-Skript. Führen Sie dann die Gaußschen Berechnungen aus, die angeben, dass der Ausgabedateiname mit der Eingabe identisch ist. com-Dateiname, aber mit dem Erweiterungsprotokoll.Verwenden Sie das Python 2.7-Skript getCHelpG. py, um die CHelpG-Atompunktladungen aus den Gaußschen Ausgabedateien mit dem Erweiterungsprotokoll zu extrahieren. Um die Anregungsenergien und Übergangsdichten einzelner Moleküle im Material in Gegenwart einer elektrostatischen Umgebung zu berechnen, richten Sie eine Klartextdatei namens monomerOptions ein.txt mit einem Parametersatz wie bei der Berechnung der Atompunktladungen und mit einem niedrigen Schwellenwert für den Druck von Eigenvektorkomponenten idealerweise in der Größenordnung von ein mal 10 bis zu den negativen fünf. Richten Sie die Gaußschen Eingabedateien für die Berechnung der Anregungsenergien und Übergangsdichten aller einzelnen Moleküle im Material in Gegenwart einer elektrostatischen Umgebung ein, die durch die Punktladungen auf alle anderen Moleküle im Material dargestellt wird, und benennen Sie die Datei monomer_n_wCh. com, wobei n die Monomernummer ist.Führen Sie dann die Gaußschen Berechnungen aus, die angeben, dass der Ausgabedateiname mit der Eingabe identisch ist. com-Dateiname, aber mit dem Erweiterungsprotokoll. Die Berechnung speichert auch eine Prüfpunktdatei mit demselben Dateinamen, jedoch mit der Erweiterung chk.Für die Anregungsenergieextraktion für helle Zustände einzelner Moleküle, aus denen das System aus den Gaußschen Ausgabedateien besteht, kopieren Sie die Anregungsenergien für die hell angeregten Zustände einzelner Monomere aus den Gaußschen Ausgabedateien mit dem Erweiterungsprotokoll in eine Klartextdatei namens all_energies.txt. In der Datei all_energies. txt, behalten Sie nur die Spalte, die die numerischen Werte der Anregungsenergien enthält.Um die exzitonischen Kopplungen für alle Molekülpaare zu berechnen, aus denen das molekulare System besteht, verwenden Sie zunächst das Dienstprogramm zur Formularprüfung aus dem angegebenen Bash-Skript, um die Checkpoint-Dateien in ein lesbares Format zu konvertieren. Verwenden Sie das Python 2.7-Skript-SwitchSign. py, der den Namen der Gaußschen Ausgabedatei mit dem Erweiterungsprotokoll und der Anzahl der angeregten Zustände n in der Berechnung als Eingabeparameter annimmt.Verwenden Sie den multifunktionalen Wavefunction-Analyzer Multiwfn, um die Übergangsdichte-Cubedatei basierend auf der gaußsschen formatierten Prüfpunktdatei mit der Erweiterung fchk und der verarbeiteten Gaußschen Ausgabedatei mit der Erweiterung log2 zu schreiben. Um Setupdateien mit Multiwfn-Verarbeitungsoptionen für alle fchk-Dateien im aktuellen Verzeichnis effizient zu generieren, verwenden Sie makeOpt. sh Bash-Skript.Die Dateien haben die gleichen Namen wie die fchk-Dateien mit der Erweiterung opt. Generieren Sie dann die Cubedateien der Übergangsdichte in einem einzelnen Batch mit dem angegebenen Bash-Skript, und konvertieren Sie die cub-Dateien in Dateien, die explizit die Koordinaten der Zentren aller Cubes im Raster und die Werte der Übergangsdichte innerhalb des Cubes mithilfe des cubeFormat angeben. py Python 2.7 Skript.Führen Sie den Befehl wie angegeben aus, um die fcub-Dateien zu verwenden, um die exzitonischen Kopplungen zwischen allen Molekülpaaren im System mit der Transition Density Cube-Methode zu berechnen. Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, erstellen Sie eine leere Datei mit dem Namen all_couplings. txt und verwenden Sie das Bash-Skript, wie angegeben, um alle excitonischen Kopplungen in einer einzigen Datei zu kombinieren.Um den excitonic Hamiltonian einzurichten, verwenden Sie den setUpHam. py Python 2.7 Skript und der angegebene Terminal-Befehl, um die angeregten Zustand Energien in der all_energies zu kombinieren. txt-Datei und die exzitonischen Kopplungen im all_couplings.txt-Datei in eine einzelne Datei, die die vollständige excitonic Hamiltonian Matrix enthält. Hierwird wird das optische Absorptionsspektrum eines Aggregats von sechs YLD 124 Molekülen aus einer kreuzkörnigen Monte-Carlo-Simulation gezeigt, die zur Berechnung des exzitonischen Hamiltonians der Moleküle verwendet wurde. In dieser Tabelle kann der Hamiltonian für dieses System, wie gezeigt, beobachtet werden.Da es sechs Moleküle mit nur einem einzigen hell angeregten Zustand für jedes Molekül gibt, wurde ein sechs mal sechs erreger Erregung Hamiltonian erzeugt, was zu sechs Übergängen. Das Exzitonmodell und die TDDFT-Spektren, die mit der WB97X-Dichte funktional mit dem G31G*-Basissatz berechnet wurden, weisen ebenfalls ähnliche Formen auf, wie sie durch Pearsons Produkt-Moment-Korrelationskoeffizient gekennzeichnet sind. Excitonic Hamiltonians, die mit unserem Protokoll konstruiert wurden, können mit jeder quantenchemischen Methode parametriert werden, die es ermöglicht, zu untersuchen, wie Annäherungen für bestimmte Methoden die Berechnungsgenauigkeit für verschiedene optoelektronische Parameter beeinflussen.Wir haben diese Methode verwendet, um die optischen Absorptionsspektren und die ersten hyperpolarisierbaren molekularen Aggregate zu modellieren, wobei wir uns bemühen, die Eigenschaften von Massen-Molekularkörpern genau zu modellieren.

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