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

Мы благодарим д-ра Андреаса Тиллака (Национальная лаборатория Ок-Риджа), д-ра Льюиса Джонсона (Вашингтонский университет) и д-ра Брюса Робинсона (Университет Вашингтона) за разработку программы для грубозернистых симуляций Монте-Карло, которая использовалась для создания структуры молекулярной системы, представленной в разделе «Результаты представительства». A.A.K. и P.F.G. получают награду в области совместных исследований от Колледжа науки, CSU East Bay. М.Х. поддерживается стипендией Forever Pioneer от Центра студенческих исследований, CSU East Bay. C.M.I. и S.S. поддерживаются Министерством обороны США (предложение 67310-CH-REP) при Отделе научных исследований ВВС.

1. Разделение многомолекулярной системы на отдельные молекулы
<ol><li>Создайте структуру системы, для которой возбужданный Гамильтониан должен быть построен в молекулярном формате tripos MOL2. Эта структура может быть снимок из молекулярной динамики или Монте-Карло моделирования системы.</li>...

Представленный здесь метод позволяет использовать несколько настроек. Например, можно изменить параметры расчетов DFT и TD-DFT, включая функциональную плотность, базовый набор и конкретное определение атомных точечных зарядов.
Для получения разумной плотности перехода дл?...

За последние два десятилетия твердые вещества и пленки, изготовленные из агрегированных органических молекул, нашли несколько применений в оптоэлектронных устройствах. Устройства, основанные на таких материалах, обладают многими привлекательными свойствами, включая небольшой вес, гибкость, низкое энергопотребление и потенциал для дешевого производства с использованием струйной печати. Дисплей на основе органических светоизлучающих диодов (OLEDs) заменяют жидкие кристаллические дисплеи, как современные для мобильных телефонов, ноутбуков, телевизоров и других электронных устройств1,2,3,4. Важность OLED для освещения приложений, как ожидается, возрастет в ближайшие годы4. Производительность органических фотоэлектрических устройств неуклонно улучшается, с эффективностью преобразования энергии выше 16% недавно сообщили для одноразового соединения органических солнечных элементов5. Органические материалы также имеют потенциал, чтобы нарушить другие технологии, такие как волоконно-оптические коммуникации, где их использование позволяет развитие электрооптических модуляторов с чрезвычайно высокой пропускной способностью 15 ТГц и выше6,7.
Основная проблема в оптимизации твердотельных молекулярных материалов для применения в оптоэлектронике заключается в том, что, как правило, их свойства сильно зависят от наномасштабной структуры материала. Производственный процесс позволяет определить наноструктуру материала в некоторой степени с помощью контролируемых методов роста, таких как химическое осаждение пара,8 шаблонов оптически активных молекул на другой материал (т.е. полимерную матрицу9,10), тепловое аннулирование11,12и т.д. Тем не менее, наноразмерное расстройство присуще большинству молекулярных материалов и, как правило, не может быть полностью устранено. Таким образом, понимание того, как расстройство влияет на свойства материала и найти способы инженера его для оптимальной производительности имеет важное значение для рационального проектирования органических оптоэлектронных материалов.
Степень расстройства в молекулярных материалах, как правило, слишком велика, чтобы рассматривать его как возмущение периодической кристаллической структуры с электронной структурой, которая может быть описана теорией группы. С другой стороны, количество молекул, которые должны быть включены в моделирование, чтобы воспроизвести свойства объемного материала или пленки слишком велика, чтобы использовать первые принципы квантовых химических методов, таких как плотность функциональной теории (DFT)13,14 и зависит от времени плотность функциональной теории (TD-DFT)15,16. Органические молекулы с применением в оптоэлектронике, как правило, имеют относительно большие конъюгированные системы; многие из них также имеют группы доноров и принимающих. Захват правильного поведения передачи заряда в таких молекулах имеет важное значение для расчета их оптоэлектронных свойств, но это может быть достигнуто только с помощью дальнего скорректированных гибридных функций в TD-DFT17,18,19,20. Расчеты, которые используют такие функциональные масштабы супер линейно с размером системы и, в настоящее время, они только практичны для моделирования оптоэлектронных свойств отдельных органических молекул или небольших молекулярных агрегатов, которые могут быть описаны с использованием не более чем 104 атомных базовых функций. Метод моделирования, который мог бы описать неупорядоченные материалы, которые состоят из большого количества хромофор было бы очень полезно для моделирования этих систем.
Величина межмолекулярных взаимодействий в молекулярных материалах часто сравнима с порядком или меньше, чем порядок изменения энергетических параметров (таких как энергии эйгенстата или энергии возбуждения) между отдельными молекулами, которые составляют материал. В таких случаях многомасштабное моделирование является наиболее перспективным подходом к пониманию и оптимизации оптоэлектронных свойств крупных неупорядоченных молекулярных систем21,,22,,23. Этот подход использует первопринципные квантовые химические методы (обычно DFT и TD-DFT) для точного расчета свойств отдельных молекул, которые составляют материал. Гамильтониан из материала образца, который является достаточно большим, чтобы представлять объеммолекулярного материала (возможно, с использованием периодических условий границы) затем построен с использованием параметров, которые были рассчитаны для отдельных молекул. Этот Гамильтониан может быть использован для расчета оптоэлектронных параметров большого молекулярного агрегата, тонкой пленки или оптово-молекулярного материала.
Exciton модели подкласса многомасштабных моделей, в которых возбужденные состояния молекулярного материала представлены в основе эксцитонов: электронно-отверстие пары, которые связаны Coulomb притяжения24,25. Для моделирования многих возбужденных государственных процессов достаточно включить только френкель эксцтоны26, где электрон и отверстие локализуются на той же молекуле. В некоторых случаях (например, при моделировании разделения заряда в системах донора-приемного органа, когда электрон и отверстие локализованы на различных молекулах, могут потребоваться включить их (например, при моделировании разделения заряда в системах донора-приемного лица)27,28. Хотя модели exciton являются многоразмерными моделями, которые могут быть параметризированы, используя только расчеты по принципу первого принципа на отдельных молекулах, они по-прежнему учитывают межмолекулярные взаимодействия. Два основных типа взаимодействия, которые они могут объяснить, являются а) возбуждающие соединения между молекулами, которые характеризуют способность экзитонов к делокализации или передачи между молекулами и (b) электростатической поляризации плотности электрона на молекуле распределением заряда на окружающих молекулах. Ранее мы показали, что оба этих фактора важны для моделирования оптических и электрооптических свойств молекулярных агрегатов, таких как оптическая спектра поглощения29 и первая гиперполярная30.
В этой работе мы представляем протокол для параметрионирующих моделей exciton, которые могут быть использованы для расчета оптических спектров и других оптоэлектронных свойств крупных молекулярных агрегатов и объемных молекулярных материалов. Возбуждающий Гамильтониан считается плотно обязательным Hamiltonian24,25,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60598/60598equ01.jpg">
где я энергию возбуждения ith в материале, bij excitonic соединение между ith и молекулами jth, iq и я операторы творения и аннигиляции, соответственно, для возбужденного положения на ith молекуле в материале. Возбужданые параметры Гамильтона обнаруживаются с помощью расчетов TD-DFT, которые выполняются на отдельных молекулах, которые составляют материал. В этих расчетах TD-DFT распределение заряда на всех других молекулах материала представлено электростатическим встраиванием атомных точечных зарядов для учета электростатической поляризации электронной плотности молекулы. Энергии возбуждения, я,iдля отдельных молекул взяты непосредственно из tD-DFT выход расчета. Возбужданые соединения, bij, между молекулами рассчитываются с помощьюметодакубической плотности перехода перехода перехода от земли к возбуждению для взаимодействующих молекул, взятых из вывода расчета TD-DFT в Gaussian32 и после обработки с помощью многофункционального анализа тауэра Multiwfn 33. Для имитации свойств навалочных молекулярных твердых веществ, периодические пограничные условия могут быть применены к Гамильтониан.
Текущий протокол требует, чтобы пользователь имеет доступ к Гауссиан32 и Multiwfn33 программ. Протокол был протестирован с использованием Gaussian 16, пересмотра Версии B1 и Multiwfn 3.3.8, но также должен работать для других последних версий этих программ. Кроме того, в протоколе используется пользовательская утилита C и ряд пользовательских скриптов python 2.7 и Bash, исходный код которого предоставляется в соответствии с GNU General Public License (версия 3) в https://github.com/kocherzhenko/ExcitonicHamiltonian. Расчеты предназначены для выполнения на машине, работающей на операционной системе семейства Unix/Linux.

<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

Рациональная конструкция неупорядоченных молекулярных агрегатов и твердых веществ для оптико-электронных приложений опирается на нашу способность предсказывать свойства таких материалов с помощью теоретических и вычислительных методов. Однако крупные молекулярные системы, где расстройство слишком важно, чтобы их можно было рассматривать в возмущенном пределе, не могут быть описаны ни с использованием первых принципов квантовой химии, ни теории полос. Многомасштабное моделирование является перспективным подходом к пониманию и оптимизации оптоэлектронных свойств таких систем. Он использует первые принципы квантовых химических методов для расчета свойств отдельных молекул, а затем строит модель Гамильтонов молекулярных агрегатов или сыпучих материалов на основе этих расчетов. В этой работе мы представляем протокол для построения плотно связывающего Гамильтона, который представляет возбужденные состояния молекулярного материала в основе резццитов Frenckel: пары электрон-дыр, которые локализованы на отдельных молекулах, которые составляют материал. Предложенная здесь Гамильтоновская параметризация объясняет возбуждаельные соединения между молекулами, а также электростатическую поляризацию плотности электрона на молекуле распределением заряда на окружающих молекулах. Такая модель Гамильтонов может быть использована для расчета оптических спектров поглощения и других оптоэлектронных свойств молекулярных агрегатов и твердых веществ.

В этом разделе мы представляем репрезентативные результаты для вычисления оптического спектра поглощения из шести молекул YLD 124, показанных на рисунке 3a, где структура агрегата была получена из грубозерного моделирования Монте-Карло. YLD 124 является прототипом заряда пе?...

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

Здесь мы представляем протокол для параметризации плотно связывающей возбуждающей Гамильтониан для расчета оптических спектров поглощения и оптоэлектронных свойств молекулярных материалов из первого принципа квантовых химических расчетов.

Excitonic Hamiltonians для расчета оптической абсорбции спектра и оптоэлектронные свойства молекулярных агрегатов и твердых веществ

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

Этот протокол облегчает строительство возбудителей гамильтонов для эффективного расчета как оптических спектров поглощения, так и более сложных оптоэлектронных свойств навалочных молекулярных материалов. Наша техника разбивает чрезвычайно вычислительно интенсивные квантово-химические расчеты на оптовых молекулярных материалах на гораздо более управляемые вычисления отдельных молекул, которые выполняются с использованием общего квантово-химического программного обеспечения. Наш метод может помочь вычислительно направлять дизайн оптоэлектронных устройств с использованием органических материалов, таких как фотоэлектрические элементы или оптические переключатели для волоконно-оптических коммуникаций.Новые пользователи должны тщательно следовать описанной процедуре, включая предложенную конвенцию о файловом номе, и должны проверить, что каждый шаг был завершен без ошибок, прежде чем двигаться дальше. Для разделения мульти-молекулярной системы на отдельные молекулы используйте скрипт Python 2.7 getMonomers. py для генерации файлов, содержащих декартовые координаты атомов в отдельных молекулах, составляющих систему.Укажите название файла, который содержит геометрию системы, и количество атомов в каждой отдельной молекуле, которая составляет систему, используя команду, как указано. Для генерации заряда тока состояния земли для атомов в отдельных молекулах, создать простой текстовый файл под названием chargeOptions. txt с вариантами для оценки функциональной теории плотности Гауссиана атомных точечных зарядов в наземном состоянии электрически нейтральной молекулы.Для получения достаточно точного распределения заряда для переходов с характером передачи заряда используйте функциональный диапазон скорректированной плотности, достаточно большой набор основы, который включает по крайней мере функции деполяризации не водородных атомов, сверхтонкие интеграционные сетки и очень жесткий самосовершный критерий конвергенции поля. Включите ключевое слово Nosymm в файл ввода, чтобы гарантировать, что атомные координаты в файле вывода Gaussian написаны в ориентации ввода. Настройка гауссийских входных файлов для всех отдельных молекул, которые составляют систему, используя параметры в файле chargeOptions.txt с использованием указанного сценария Bash. Затем запустите гауссийские расчеты, указывающие на то, что имя файла вывода будет таким же, как и входной. com имя файла, но с журналом расширения.Используйте скрипт Python 2.7 getCHelpG. py для извлечения атомных точечных зарядов CHelpG из гауссийских выходных файлов с журналом расширения. Для расчета энергии возбуждения и плотности перехода отдельных молекул в материале в присутствии электростатической среды, найте простой текстовый файл под названием monomerOptions.txt с параметром, установленным для расчета атомных точечных зарядов и с низким порогом для печати компонентов эйгенвектора идеально, по крайней мере, порядка одного раза от 10 до отрицательной пятерки. Настройка гауссийских входных файлов для расчета энергии возбуждения и плотности перехода всех отдельных молекул в материале в присутствии электростатической среды, представленной точечными зарядами на всех других молекулах в материале и название файла monomer_n_wCh. ком, где n является мономерным номером.Затем запустите гауссийские расчеты, указывающие на то, что имя файла вывода будет таким же, как и входной. com имя файла, но с журналом расширения. Расчет также сохранит файл контрольной точки с тем же именем файла, но с расширением chk.Для извлечения энергии возбуждения для ярких состояний отдельных молекул, которые составляют систему из гауссийских выходных файлов, скопировать энергии возбуждения для ярких возбужденных состояний отдельных мономеров из гауссийских выходных файлов с журналом расширения в простой текстовый файл под названием all_energies.txt. В файле all_energies. txt, храните только столбец, содержащий численные значения энергий возбуждения.Чтобы вычислить возбудимые связи для всех пар молекул, в которые вобрается в молекулярную систему, сначала используйте утилиту проверки формы из указанного сценария Bash для преобразования файлов контрольной точки в читаемый человеком формат. Используйте переключатель скрипта Python 2.7Sign. py, который берет имя файла выходной Gaussian с журналом расширения и числом возбужденных состояний n, включенных в расчет в качестве входных параметров.Используйте многофункциональный анализатор волновой работы Multiwfn для записи файла куба плотности перехода на основе гауссийского отформатированных файлов контрольно-пропускных чек с расширением fchk и обработанного файла выходной Gaussian с журналом расширения2. Для эффективного создания файлов настройки с вариантами обработки Multiwfn для всех файлов fchk в текущем каталоге используйте makeOpt. sh Bash сценарий.Файлы будут иметь те же имена, что и файлы fchk с выбором расширения. Затем создайте файлы куба плотности перехода в одной партии с помощью указанного сценария Bash и преобразуйте файлы детеныша в файлы, в которых прямо указаны координаты центров всех кубов на сетке и значения плотности перехода внутри куба с помощью cubeFormat. скрипт py Python 2.7.Вы запустите команду, как указано, чтобы использовать файлы fcub для расчета возбудимых разрывов между всеми парами молекул в системе с помощью метода куба плотности перехода. Как только расчеты будут завершены, создайте пустой файл под названием all_couplings. txt и использовать скрипт Bash, как указано, чтобы объединить все возбудимые соединения в один файл.Чтобы настроить возбуждающей Гамильтона, используйте setUpHam. py Python 2.7 скрипт и указанная команда терминала, чтобы объединить возбужденные энергии состояния в all_energies. txt файл и возбудимые связи в all_couplings.txt файл в один файл, который содержит полную возбудимую матрицу Гамильтона. Здесь показан оптический абсорбционный спектр агрегата из шести молекул YLD 124, полученных в результате перекрестного моделирования Монте-Карло, которое было использовано для расчета возбудимого Гамильтона молекул. В этой таблице, Hamiltonian для этой системы построен как продемонстрировано можно наблюдать.Потому что есть шесть молекул только с одним ярким возбужденным состоянием для каждой молекулы, шесть на шесть возбудимых Гамильтониан был создан в результате чего шесть переходов. Экситонная модель и спектры TDDFT, рассчитанные с использованием функциональной плотности WB97X с набором G31G-основы, также имеют те же формы, что и коэффициент корреляции продукта Пирсона. Возбудимые гамильтоны, построенные с использованием нашего протокола, могут быть параметризированы любым квантово-химическим методом, позволяющим изучать, как приближения к конкретным методам влияют на точность вычислений по различным оптоэлектронных параметрам.Мы использовали этот метод для моделирования оптических спектров поглощения и первых гиперполяризий молекулярных агрегатов с усилиями, предпринимаемыми для точной моделирования свойств навалочных молекулярных твердых веществ.

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

Под контролем Photoredox кольцо открытие полимеризации O- Carboxyanhydrides при посредничестве Ni/Zn комплексы

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

Полное внутреннее отражение абсорбционная спектроскопия (Тирас) для обнаружения сольватированного электронов в плазме жидкость интерфейс

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

Формирование люминофора в различные конформации альбумина Bovine сыворотки путем связывания 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

Свойств поверхности синтезированных нанопористого углерода и кремния матрицы

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

Дизайн, синтез и фотохимические свойства clickable Caged соединений

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

Вибрационная спектра N719-Хромофор/Титания Интерфейс от Эмпирического-Потенциального Молекулябельно-динамического моделирования, соваренного ионной жидкостью комнатной температуры

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

Гиперспектральная визуализация как инструмент для изучения оптической анисотропии в молекулярных однокристаллических кристаллах на основе лантанида

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

Количественное SERS-обнаружение мочевой кислоты путем формирования точных плазмонных нанопереходов в агрегатах наночастиц золота и кукурбита[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

Анализ формы линии динамических спектров ЯМР для характеристики перегруппировок координационных сфер в комплексе полигидрида хирального рения

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

Настройка свойств оксида методом контроля вакансий кислорода при росте и отжиге

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