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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우리는 안드레아스 틸락 박사 (오크 리지 국립 연구소), 루이스 존슨 박사 (워싱턴 대학), 박사 브루스 로빈슨 (워싱턴 대학) 대표 결과 섹션에 제시 된 분자 시스템의 구조를 생성하는 데 사용 된 거친 입자 몬테 카를로 시뮬레이션을위한 프로그램을 개발에 감사드립니다. A.A.K. 및 P.F.G.는 CSU 이스트 베이 과학 대학의 공동 연구 상을 후원합니다. M.H.는 CSU 이스트 베이 학생 연구 센터의 영원히 개척자 펠로우십에 의해 지원됩니다. C.M.I.와 S.S.는 미국 국방부(제안 67310-CH-REP)의 지원을 받고 있으며, 공군 과학 연구 유기 재료 사업부의 지원을 받고 있습니다.

1. 다중 분자 시스템을 개별 분자로 분할
<ol><li>Excitonic Hamiltonian이 Tripos MOL2 분자 파일 형식으로 구성되어야하는 시스템의 구조를 생성합니다. 이 구조는 시스템의 분자 역학 또는 몬테 카를로 시뮬레이션에서 스냅 샷 이 될 수 있습니다.</li>
	<li>시스템의 모든 분자가 동일한 수의 원자로 구성된 경우, 파이썬 2.7 스크립트 getMonomers.py 사용하여 시스템을 구성하는 개별 분자에서 원자에 대한 카르테...

여기에 제시된 메서드는 여러 사용자 지정을 허용합니다. 예를 들어, 밀도 기능, 기초 세트 및 원자점 전하의 특정 정의를 포함하여 DFT 및 TD-DFT 계산의 파라미터를 수정할 수 있습니다.
전하 전달 문자가 있는 전단에 대해 적절한 전이 밀도를 얻으려면 ωB97X, ωB97XD 또는 ωPBE와 같은 장거리 교정 기능을 사용하는 것이 좋습니다. 기능성(또는 정확한 교환량 또는 범위 분리 파라?...

지난 2년 동안 응집된 유기 분자로 만들어진 고형물및 막은 광전자 장치에서 여러 응용 분야에서 발견되었습니다. 이러한 재료를 기반으로 하는 장치는 작은 무게, 유연성, 낮은 전력 소비 및 잉크젯 인쇄를 사용하여 저렴한 생산을 위한 잠재력을 포함하여 많은 매력적인 특성을 가지고 있습니다. 유기 발광 다이오드(OLED)를 기반으로 하는 디스플레이는 휴대 전화, 노트북, 텔레비전 세트 및 기타 전자 기기1,2,2,3,,4에대한 최첨단으로 액정 디스플레이를 대체하고 있습니다. 조명 응용 프로그램에 대한 OLED의 중요성은 향후4년 동안 증가 할 것으로 예상된다. 유기 태양광 장치의 성능은 꾸준히 개선되고 있으며, 최근 단일 접합 유기 태양전지에 대해 16% 이상의 전력 변환 효율이보고되고 있다 5. 유기 재료는 또한 광섬유 통신과 같은 다른 기술을 방해 할 수있는 잠재력을 가지고 있으며, 그 사용은 15 THz 및6,7이상의 매우 높은 대역폭을 가진 전기 광학 변조기의 개발을 가능하게합니다.
광전자공학 의 응용 제품을 위한 고체 분자 물질을 최적화하는 데 있어 주요 과제는 일반적으로 그 특성이 재료의 나노 스케일 구조에 크게 의존한다는 것입니다. 생산 공정은 화학 증착, 광학 활성 분자의8 템플릿을 다른 물질 (즉, 폴리머 매트릭스9,,10),열 어닐링11,,12등과 같은 제어 된 성장 기술을 사용하여 재료의 나노 구조를 어느 정도 정의 할 수 있습니다. 그러나, 나노 스케일 장애는 대부분의 분자 물질에 내재되어 있으며 일반적으로 완전히 제거 될 수 없습니다. 따라서 장애가 재료의 특성에 미치는 영향을 이해하고 최적의 성능을 위해 설계하는 방법을 찾는 것은 유기 광전자 재료의 합리적인 설계에 필수적입니다.
분자 물질에 있는 무질서의 정도는 일반적으로 밴드 이론에 의해 기술될 수 있는 전자 구조물을 가진 주기적인 결정 구조물의 섭동으로 취급하기 위하여 너무 중대합니다. 한편, 벌크 물질 또는 필름의 특성을 재현하기 위해 시뮬레이션에 포함되어야 하는 분자의 수는 밀도 기능이론(DFT)13,,14 및 시간 의존밀도 기능이론(TD-DFT)15,,16과같은 제1 원리 양자 화학적 방법을 사용하기에는 너무 크다. 광전자공학에 응용되는 유기 분자는 전형적으로 상대적으로 큰 π-컨쥬게이션 시스템을 갖는다; 많은 사람들이 또한 기증자 와 수락자 그룹이 있습니다. 이러한 분자에서 올바른 전하 전달 거동을 포착하는 것은 광전자적 특성을 계산하는 데 필수적이지만 TD-DFT17,,18,19,,20에서장거리 보정 하이브리드 기능을 사용하여만 수행할 수 있습니다., 이러한 기능을 사용하는 계산은 시스템의 크기에 따라 매우 선형적으로 확장되며, 현재는 ~10 4 원자 기준 함수를 사용하여 설명할 수 있는 개별 유기 분자 또는 작은 분자 응집체의 광전자적 특성을 모델링하는 데만 실용적입니다. 많은 수의 크로모포로 구성된 무질서한 재료를 설명할 수 있는 시뮬레이션 방법은 이러한 시스템을 모델링하는 데 매우 유용합니다.
분자 물자에 있는 분자 간 상호 작용의 크기는 수시로 물질을 구성하는 개별 분자 사이 에너지 매개변수 (eigenstate 에너지 또는 여기 에너지와 같은)에 있는 변이의 순서에 비교하거나 더 작습니다. 이러한 경우, 다중 스케일 모델링은 대형 장애 분자 시스템21,,22,,23의광전자 적 특성을 이해하고 최적화하는 가장 유망한 접근 방식이다. 이 접근법은 제1 원리 양자 화학 방법(일반적으로 DFT 및 TD-DFT)을 사용하여 물질을 구성하는 개별 분자의 특성을 정확하게 계산합니다. 벌크 분자 물질을 나타낼 수 있을 만큼 충분히 큰 재료 샘플의 Hamiltonian은 (아마도 주기적인 경계 조건을 사용하여) 개별 분자에 대해 계산된 매개 변수를 사용하여 구성됩니다. 이 해부니아니어는 큰 분자 골재, 박막 또는 벌크 분자 물질의 광전자 파라미터를 계산하는데 사용될 수 있다.
엑시톤 모델은 분자 물질의 흥분 상태가 엑시톤의기초로 표현되는 멀티 스케일 모델의 하위 클래스입니다 : 쿨롱 매력24,,25에의해 구속되는 전자 구멍 쌍. 많은 흥분 상태 프로세스를 모델링하는 경우, 전자와 구멍이 동일한 분자에 국한되어 있는 Frenkel excitons26만포함하기에 충분합니다. 전하 전달 엑시톤은, 여기서 전자 및 구멍이 상이한 분자 상이한 분자상에 국한되어, 일부 경우에 포함되어야 할 수도 있다(예를 들어, 공체 수용체 시스템에서 전하 분리를 모델링하는 경우)27,,28. 엑시톤 모델은 개별 분자에 대한 첫 번째 원리 계산만사용하여 파라메트화할 수 있는 다중 스케일 모델이지만, 여전히 분자간 상호 작용을 고려합니다. 그들이 설명 할 수있는 두 가지 기본 상호 작용 유형은 (a) 주위 분자에 전하 분포에 의해 분자에 전자 밀도의 정전기 편광을 가로 질러 지역화또는 전달하는 엑시톤의 능력을 특성화하는 분자 사이의 엑시토닉 커플링입니다. 우리는 이전에 이 두 요인이 광학 흡수 스펙트럼29 및 제1 극극성30과같은 분자 응집체의 광학 및 전기 광학 특성을 모델링하는 데 중요하다는 것을 보여주었습니다.
이 백서에서는 대형 분자 응집체 및 벌크 분자 물질의 광학 스펙트럼 및 기타 광전자적 특성을 계산하는 데 사용할 수 있는 엑시톤 모델을 파라메트화하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 흥분제는 단단한 결합 해밀턴 으로 가정24,,25,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60598/60598equ01.jpg">
여기서θ i는 물질 내의 ith 분자의 여기 에너지인데, bij는 ith 분자와 jthth 분자 사이의 엑시토닉 커플링이며, âi† 및 âi는 각각 물질의 ith 분자상에서 의 한 분자에 대한 흥분 상태에 대한 생성 및 소멸 연산자이다. 흥분 성 해밀턴 매개 변수는 물질을 구성하는 개별 분자에서 수행되는 TD-DFT 계산을 사용하여 발견됩니다. 이러한 TD-DFT 계산에서, 재료의 다른 모든 분자에 대한 전하 분포는 분자의 전자 밀도의 정전기 편광을 고려하여 원자점 전하의 정전기 포함으로 표현됩니다. 개별 분자에 대한 여기 에너지, θi는TD-DFT 계산 출력에서 직접 가져온다. 상기 엑시토닉 커플링, bij,분자 들 간의 전이 밀도 큐브방법(31)을사용하여 계산되고, 가우시안(32)에서32 TD-DFT 계산의 출력으로부터 가져온 상호작용 분자에 대한 접지-흥분 상태 전이 밀도와 함께 다원다능 파함수 분석기(33)를 사용하여 후처리한다. Multiwfn 33 벌크 분자 고형물의 특성을 시뮬레이션하기 위해 주기적인 경계 조건을 Hamiltonian에 적용할 수 있습니다.
현재 프로토콜은 사용자가 Gaussian32 및 Multiwfn33 프로그램에 액세스할 수 있어야 합니다. 프로토콜은 Gaussian 16, 개정 B1 및 Multiwfn 버전 3.3.8을 사용하여 테스트되었지만 이러한 프로그램의 다른 최신 버전에서도 작동해야 합니다. 또한 이 프로토콜은 사용자 지정 C++ 유틸리티와 https://github.com/kocherzhenko/ExcitonicHamiltonian GNU 일반 공용 라이선스(버전 3)에 따라 제공되는 소스 코드인 사용자 지정 파이썬 2.7 및 Bash 스크립트를 사용합니다. 계산은 유닉스/Linux 제품군에서 운영 체제를 실행하는 컴퓨터에서 수행됩니다.

<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

광전자 응용 을위한 무질서한 분자 응집체 및 고체의 합리적인 설계는 이론적 및 전산 방법을 사용하여 이러한 재료의 특성을 예측하는 우리의 능력에 의존한다. 그러나, 장애가 너무 중요한 큰 분자 시스템은 섭동 적 한계에서 고려될 수 없습니다 양자 화학 또는 밴드 이론을 사용하여 설명 할 수 없습니다. 멀티스케일 모델링은 이러한 시스템의 광전자적 특성을 이해하고 최적화하기 위한 유망한 접근 방식입니다. 그것은 개별 분자의 특성을 계산하기 위해 첫 번째 원리 양자 화학 방법을 사용하여, 다음 이러한 계산에 따라 분자 응집체 또는 벌크 재료의 모델 해밀턴을 구성합니다. 이 논문에서는, 우리는 Frenckel 엑시톤의 기초에 있는 분자 물자의 흥분한 상태를 나타내는 단단한 결합 Hamiltonian를 건설하기 위한 프로토콜을 제시합니다: 물질을 구성하는 개별 분자에 국한되는 전자 구멍 쌍. 여기에서 제안된 해밀턴 parametrization는 분자 사이 excitonic 커플링에 대 한 계정, 뿐만 아니라 주위 분자에 전하 분포에 의해 분자에 전자 밀도의 정전기 편광에 대 한. 이러한 모델 해밀턴은 분자 응집체 및 고체의 광학 흡수 스펙트럼 및 기타 광 전자 특성을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

이 섹션에서는 6개의 YLD 124 분자의 응집체의 광학 흡수 스펙트럼을 계산하기 위한 대표적인 결과를 제시하며, 그림 3a에나와 있는 이 곳에서 골재의 구조는 거친 몬테카를로 시뮬레이션으로부터 얻어졌다. YLD 124는 π를 통해 연결되는 테르-부틸디메틸실질 보호기를 가진 디에틸 아민의 전자 기증 그룹으로 구성된 프로토타입 전하 전달 염색체입니다. -전자 수용기 2-(3-...

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

여기서, 우리는 제1 원리 양자 화학 계산에서 분자 물질의 광학 흡수 스펙트럼 및 광전자 적 특성을 계산하기 위한 단단한 결합 excitonic Hamiltonian을 파라메트화하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

분자 응집체 및 고체의 광학 흡수 스펙트럼 및 광전자 적 특성을 계산하기위한 Excitonic Hamiltonians

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

이 프로토콜은 광학 흡수 스펙트럼과 대량 분자 물질의 보다 복잡한 광전자 적 특성의 효율적인 계산을 위해 엑시토닉 해밀턴의 건설을 용이하게합니다. 우리의 기술은 대량 분자 재료에 대한 매우 계산 집약적인 양자 화학 적 계산을 일반적인 양자 화학 소프트웨어를 사용하여 수행되는 단일 분자의 훨씬 더 관리 가능한 계산으로 분해합니다. 당사의 방법은 광섬유 통신을 위한 광전지 또는 광스위치와 같은 유기 물질을 사용하여 광전자 장치의 설계를 계산적으로 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.새 사용자는 제안된 파일 명명 규칙을 포함하여 설명된 절차를 신중하게 따라야 하며 이동하기 전에 각 단계가 오류 없이 완료되었는지 확인해야 합니다. 다중 분자 시스템을 개별 분자로 분할하려면 파이썬 2.7 스크립트 getMonomers를 사용하십시오. py는 시스템을 구성하는 개별 분자에서 원자에 대한 카르테시안 좌표를 포함하는 파일을 생성합니다.시스템의 형상을 포함하는 파일의 이름과 지시에 따라 명령을 사용하여 시스템을 구성하는 각 개별 분자의 원자 수를 지정합니다. 개별 분자에서 원자에 대한 접지 상태 포인트 요금을 생성하려면 chargeOptions라는 일반 텍스트 파일을 설정합니다. 전기 중립 분자의 지면 상태에서 원자점 전하의 가우시안 밀도 기능 이론 계산에 대한 옵션을 txt.전하 전달 문자로 전환에 대한 합리적으로 정확한 전하 분포를 얻으려면, 비수소 원자에 적어도 탈극화 기능, 초미세 통합 그리드 및 매우 엄격한 자기 일관된 필드 수렴 기준을 포함하는 충분히 큰 기초 세트인 장거리 보정 밀도 기능을 사용하십시오. 입력 파일에 Nosymm 키워드를 포함하여 Gaussian 출력 파일의 원자 좌표가 입력 방향으로 기록되도록 합니다. 파일 충전의 매개 변수를 사용하여 시스템을 구성하는 모든 개별 분자에 대한 가우시안 입력 파일을 설정옵션.표시된 Bash 스크립트를 사용하여 txt. 그런 다음 출력 파일 이름을 입력과 동일하게 지정하는 Gaussian 계산을 실행합니다. com 파일 이름하지만 확장 로그와 함께.파이썬 2.7 스크립트 getCHelpG를 사용합니다. 확장 로그가 있는 가우시안 출력 파일에서 CHelpG 원자점 충전을 추출합니다. 정전기 환경이 있는 재료에 있는 개별 분자의 흥분 에너지 및 전이 밀도를 계산하려면 monomerOptions라는 일반 텍스트 파일을 설정합니다.원자점 충전의 계산과 eigenvector 구성 요소를 인쇄하기 위한 낮은 임계값을 가진 파라미터세트와 함께 txt는 적어도 10배의 순서를 음5로 한다. 재료내의 다른 모든 분자에 대한 점 전하로 표현되는 정전기 환경이 있는 물질내의 모든 개별 분자의 흥분 에너지 및 전이 밀도의 계산을 위해 가우시안 입력 파일을 설정하고 파일 monomer_n_wCh 이름을 지정한다. n은 단조로운 번호입니다.그런 다음 출력 파일 이름을 입력과 동일하게 지정하는 Gaussian 계산을 실행합니다. com 파일 이름하지만 확장 로그와 함께. 계산은 동일한 파일 이름이지만 확장 chk와 함께 검사점 파일을 저장합니다.Gaussian 출력 파일에서 시스템을 구성하는 개별 분자의 밝은 상태에 대한 흥분 에너지 추출을 위해 확장 로그가있는 가우시안 출력 파일에서 개별 모노머의 밝은 흥분 상태에 대한 흥분 에너지를 all_energies.txt 라는 일반 텍스트 파일에 복사합니다. 파일 all_energies. txt, 여기 에너지의 숫자 값을 포함하는 열만 유지합니다.분자 시스템을 구성하는 모든 분자 쌍에 대한 엑시토닉 커플링을 계산하려면 먼저 표시된 Bash 스크립트의 양식 검사 유틸리티를 사용하여 체크포인트 파일을 사람이 읽을 수 있는 형식으로 변환합니다. 파이썬 2.7 스크립트 스위치를 사용합니다. 확장 로그와 가우시안 출력 파일의 이름을 입력 매개 변수로 계산에 포함 된 흥분 상태 n의 수와 함께 py.Multiwfn 다기능 파기능 분석기를 사용하여 확장 fchk및 확장 로그2가 있는 처리된 가우시안 출력 파일을 가우시안 서식 체크포인트 파일을 기반으로 전환 밀도 큐브 파일을 작성합니다. 현재 디렉터리에있는 모든 fchk 파일에 대한 Multiwfn 처리 옵션을 사용하여 설정 파일을 효율적으로 생성하려면 makeOpt를 사용합니다. sh 배쉬 스크립트.파일은 확장 선택과 fchk 파일과 동일한 이름을 갖습니다. 그런 다음 표시된 Bash 스크립트를 사용하여 단일 배치로 전환 밀도 큐브 파일을 생성하고 큐브포맷을 사용하여 그리드에 있는 모든 큐브의 중심좌와 큐브 내부의 전환 밀도 값을 명시적으로 지정하는 파일로 새끼 파일을 변환합니다. py 파이썬 2.7 스크립트.프큐브 파일을 사용하여 전이 밀도 큐브 방법을 사용하여 시스템의 모든 분자 쌍 간의 엑시토닉 커플링을 계산하도록 지시된 대로 명령을 실행합니다. 계산이 완료되면 all_couplings 라는 빈 파일을 만듭니다. 모든 엑시토닉 커플링을 단일 파일로 결합하려면 표시된 대로 Bash 스크립트를 txt 및 사용합니다.엑시토닉 해밀턴을 설정하려면 setUpHam을 사용합니다. py Python 2.7 스크립트및 표시 된 단말 명령은 all_energies 흥분 상태 에너지를 결합합니다. txt 파일 및 all_couplings 엑시토닉 커플링.전체 엑시토닉 해밀턴 행렬이 포함된 단일 파일에 txt 파일. 여기서, 분자의 엑시토닉 해밀턴을 계산하는 데 사용되었던 교차 입자 몬테 카를로 시뮬레이션으로부터 얻어진 6개의 YLD 124 분자의 응집체의 광학 흡수 스펙트럼이 도시된다. 이 표에서는 시연된 대로 구성된 이 시스템의 해밀턴을 관찰할 수 있습니다.각 분자에 대해 하나의 밝은 흥분 상태를 가진 6개의 분자가 있기 때문에, 6에 의하여 6의 엑시토닉 해밀턴이 6개의 전이 결과로 생성되었습니다. G31G*베이시스 세트와 함께 WB97X 밀도 기능을 사용하여 계산된 엑시톤 모델 및 TDDFT 스펙트럼또한 Pearson의 제품 모멘트 상관 계수를 특징으로 하는 유사한 모양을 가지고 있습니다. 우리의 프로토콜을 사용하여 건설 된 엑시토닉 해밀턴은 특정 방법에 대한 근사치가 다양한 광전자 매개 변수에 대한 계산 정확도에 미치는 영향을 연구 할 수있는 양자 화학 방법으로 매개 변수화 될 수 있습니다.우리는 정확하게 대량 분자 고형물의 특성을 모델링하기 위해 지속적인 노력으로 분자 응고의 광학 흡수 스펙트럼과 첫 번째 과극성을 모델링하기 위해이 방법을 사용했다.

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