Summary

هاميلتونيون مثيرون لحساب أطياف الامتصاص البصري والخصائص الإلكترونية البصرية للمجاميع الجزيئية والمواد الصلبة

Published: May 27, 2020
doi:

Summary

هنا، نقدم بروتوكولاً لـ”باريميتريزينغ” هاملتونيان مُلزم بإحكام لحساب أطياف الامتصاص البصري والخصائص الإلكترونية البصرية للمواد الجزيئية من الحسابات الكيميائية الكمية ذات المبادئ الأولى.

Abstract

يعتمد التصميم العقلاني للمجاميع الجزيئية والمواد الصلبة المضطربة للتطبيقات الإلكترونية البصرية على قدرتنا على التنبؤ بخصائص هذه المواد باستخدام الطرق النظرية والحسابية. ومع ذلك ، لا يمكن وصف الأنظمة الجزيئية الكبيرة حيث الاضطراب كبير جدًا بحيث لا يمكن اعتباره في الحد المضطرب باستخدام إما المبادئ الأولى للكيمياء الكمية أو نظرية الفرقة. النمذجة متعددة المستويات هو نهج واعد لفهم وتحسين الخصائص الإلكترونية البصرية لهذه الأنظمة. ويستخدم المبادئ الأولى أساليب كيميائية الكم لحساب خصائص الجزيئات الفردية، ثم يبني نموذج Hamiltonians من المجاميع الجزيئية أو المواد السائبة على أساس هذه الحسابات. في هذه الورقة، نقدم بروتوكولا لبناء هاملتونية ملزمة ضيقة التي تمثل الدول متحمس من المواد الجزيئية في أساس excitons Frenckel: أزواج الإلكترون حفرة التي يتم توطينها على الجزيئات الفردية التي تشكل المواد. البارامترية هاملتونية المقترحة هنا حسابات للاقترانات التواتيكية بين الجزيئات، وكذلك للاستقطاب الكهروستاتيكي لكثافة الإلكترون على جزيء من خلال توزيع الشحنة على الجزيئات المحيطة. ويمكن استخدام هذا النموذج Hamiltonians لحساب أطياف الامتصاص البصري وغيرها من الخصائص البصرية الالكترونية من المجاميع الجزيئية والمواد الصلبة.

Introduction

في العقدين الماضيين، وجدت المواد الصلبة والأفلام المصنوعة من الجزيئات العضوية المجمعة تطبيقات متعددة في الأجهزة الإلكترونية البصرية. الأجهزة القائمة على هذه المواد لها العديد من الخصائص الجذابة، بما في ذلك الوزن الصغير، والمرونة، وانخفاض استهلاك الطاقة، وإمكانية الإنتاج الرخيص باستخدام الطباعة النافثة للحبر. تحل شاشات العرض المستندة إلى الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) محل شاشات الكريستال السائل كأحدث ما في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة التلفزيون والأجهزة الإلكترونية الأخرى1و2و3و4. ومن المتوقع أن تزداد أهمية OLEDs لتطبيقات الإضاءة في السنوات القادمة4. أداء الأجهزة الكهروضوئية العضوية يتحسن باطراد، مع كفاءة تحويل الطاقة فوق 16٪ ذكرت مؤخرا للخلايا الشمسية العضوية أحادية التقاطع5. المواد العضوية لديها أيضا القدرة على تعطيل تكنولوجيات أخرى، مثل الاتصالات الألياف البصرية، حيث استخدامها تمكن من تطوير المغيرات الكهربائية البصرية مع عرض النطاق الترددي عالية للغاية من 15 THz وأكثر من6،7.

التحدي الرئيسي في تحسين المواد الجزيئية للدولة الصلبة للتطبيقات في الالكترونيات البصرية هو أن خصائصها عادة ما تعتمد بقوة على بنية نانوية من المواد. تسمح عملية الإنتاج بتعريف البنية النانوية للمواد إلى حد ما باستخدام تقنيات النمو الخاضعة للرقابة ، مثل ترسب البخار الكيميائي ،و8 ضبط جزيئات نشطة بصريًا على مادة أخرى (أي مصفوفة البوليمر9،10)، الصلب الحراري11،12، إلخ. ومع ذلك ، فإن اضطراب النانو هو جوهري لمعظم المواد الجزيئية وعادة لا يمكن القضاء عليه تمامًا. لذلك ، فإن فهم كيفية تأثير الاضطراب على خصائص المادة وإيجاد طرق لهندستها للحصول على الأداء الأمثل أمر ضروري للتصميم العقلاني للمواد الإلكترونية البصرية العضوية.

درجة الاضطراب في المواد الجزيئية عادة ما تكون كبيرة جدا للتعامل معها على أنها اضطراب في بنية بلورية دورية مع بنية إلكترونية يمكن وصفها من قبل نظرية الفرقة. من ناحية أخرى ، فإن عدد الجزيئات التي يجب تضمينها في محاكاة لإعادة إنتاج خصائص مادة مجمعة أو فيلم كبير جدًا لاستخدام المبادئ الأولى للأساليب الكيميائية الكمية مثل النظرية الوظيفية للكثافة (DFT)13و14 والنظرية الوظيفية للكثافة المعتمدة على الوقت (TD-DFT)15،16. الجزيئات العضوية مع تطبيقات في الالكترونيات البصرية وعادة ما يكون كبير نسبيا ο-مترافق النظم; العديد من الجهات المانحة ومجموعات القبول. التقاط السلوك الصحيح نقل تهمة في مثل هذه الجزيئات أمر ضروري لحساب خصائصها البصرية الالكترونية، ولكن لا يمكن إلا أن يتحقق باستخدام وظائف هجينة مصححة طويلة المدى في TD-DFT17،18،19،20. الحسابات التي تستخدم مثل هذه الوظائف مقياس فائقة خطيا مع حجم النظام، وفي الوقت الحاضر، فهي عملية فقط لنمذجة الخصائص الإلكترونية البصرية للجزيئات العضوية الفردية أو المجاميع الجزيئية الصغيرة التي يمكن وصفها باستخدام ما لا يزيد عن ~ 104 وظائف الأساس الذري. طريقة المحاكاة التي يمكن أن تصف المواد المضطربة التي تتكون من أعداد كبيرة من الكروموفوراس ستكون مفيدة جدا لنمذجة هذه الأنظمة.

حجم التفاعلات بين الجزيئية في المواد الجزيئية غالبا ما تكون مماثلة أو أصغر من ترتيب الاختلاف في المعلمات حيوية (مثل الطاقات eigenstate أو الطاقات الإثارة) بين الجزيئات الفردية التي تشكل المواد. في مثل هذه الحالات ، النمذجة متعددة المستويات هو النهج الواعد لفهم وتحسين الخصائص الإلكترونية البصرية للأنظمة الجزيئية الكبيرة المضطربة21،22،23. يستخدم هذا النهج المبادئ الأولى الأساليب الكيميائية الكمية (عادة DFT و TD-DFT) لحساب خصائص الجزيئات الفردية التي تؤلف المادة بدقة. يتم بناء هاملتونيان عينة المواد التي هي كبيرة بما يكفي لتمثيل المواد الجزيئية السائبة (ربما، من خلال استخدام شروط الحدود الدورية) ثم باستخدام المعلمات التي تم حسابها للجزيئات الفردية. ويمكن بعد ذلك استخدام هذا هاملتوني لحساب المعلمات الإلكترونية البصرية من تجميع الجزيئية الكبيرة، فيلم رقيقة، أو مادة جزيئية السائبة.

نماذج Exciton هي فئة فرعية من النماذج المتعددة المستويات التي يتم تمثيل الحالات متحمس من مادة جزيئية في أساس excitons: أزواج الإلكترون حفرة التي ترتبط Coulomb الجذب24,25. لنمذجة العديد من العمليات الدولة متحمس، ويكفي أن تشمل فقط Frenkel excitons26،حيث يتم توطين الإلكترون والثقب على نفس الجزيء. الشحنة نقل excitons, حيث يتم توطين الإلكترون وثقب على جزيئات مختلفة, قد تحتاج إلى أن تدرج في بعض الحالات (على سبيل المثال, عند فصل تهمة النمذجة في أنظمة المتبرعين قبول)27,28. على الرغم من أن نماذج exciton هي نماذج متعددة المستويات التي يمكن parametrized باستخدام حسابات المبدأ الأول فقط على الجزيئات الفردية، فإنها لا تزال تمثل التفاعلات بين الجزيئيات. النوعان الأساسيان من التفاعل اللتين يمكنهما تفسيرهما هما (أ) الاقترانات الإضنية بين الجزيئات التي تميز قدرة الإكساينون على إزالة التوطين عبر أو الانتقال بين الجزيئات و(ب) الاستقطاب الكهروستاتيكي لكثافة الإلكترون على جزيء عن طريق توزيع الشحنعلى الجزيئات المحيطة. لقد أظهرنا سابقا أن كلا من هذه العوامل مهمة لنمذجة الخصائص البصرية والكهربائية البصرية للمجاميع الجزيئية، مثل أطياف الامتصاص البصري29 وأول hyperpolarizcapabilit30.

في هذه الورقة، نقدم بروتوكولاً لنماذج إكسفيتون الباراميتريز التي يمكن استخدامها لحساب الأطياف البصرية والخصائص الإلكترونية البصرية الأخرى للمجاميع الجزيئية الكبيرة والمواد الجزيئية السائبة. ويفترض هاملتونيان مثير أن يكون هاملتونيان ضيق ملزمة24,25,

Equation 1

حيث ط هو الطاقة الإثارة من جزيء طth في المواد، بij هو اقتران مثير بين الجزيئات طth وjth، ✠† و â € أنا خلق وإبادة المشغلين، على التوالي، لحالة متحمس على جزيء طth في المواد. i تم العثور على المعلمات هاملتونية التويند باستخدام حسابات TD-DFT التي يتم إجراؤها على الجزيئات الفردية التي تشكل المادة. في هذه الحسابات TD-DFT، يتم تمثيل توزيع الشحنة على جميع الجزيئات الأخرى في المواد عن طريق التضمين الكهروستاتيكي لشحنات النقطة الذرية لحساب الاستقطاب الكهروستاتيكي للكثافة الإلكترونية للجزيء. يتم أخذ طاقات الإثارة ، ط،للجزيئات الفردية مباشرة من إخراج حساب TD-DFT. يتم حساب اقترانات الإثارة، بij،بين الجزيئات باستخدام طريقة مكعب كثافة الانتقال31، مع كثافات انتقال الحالة من الأرض إلى المتحمسين للجزيئات المتفاعلة المأخوذة من إخراج حساب TD-DFT في غاوسيان32 وبعد معالجتها باستخدام محلل الموجات متعددة الوظائف Multiwfn 33. لمحاكاة خصائص المواد الصلبة الجزيئية السائبة، يمكن تطبيق شروط الحدود الدورية على هاملتونيان.

يتطلب البروتوكول الحالي أن يكون للمستخدم حق الوصول إلى برامج Gaussian32 و Multiwfn33. وقد تم اختبار البروتوكول باستخدام غاوسيان 16 ، والتنقيح B1 وMultiwfn الإصدار 3.3.8 ، ولكن ينبغي أيضا العمل لإصدارات أخرى حديثة من هذه البرامج. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم البروتوكول أداة C++ المخصصة وعدد من نصوص بيثون 2.7 وباش المخصصة، والتي يتم توفير الشفرة المصدرية لها بموجب رخصة جنو العامة العامة (الإصدار 3) في https://github.com/kocherzhenko/ExcitonicHamiltonian. وتهدف الحسابات إلى أن يتم تنفيذها على جهاز تشغيل نظام التشغيل من عائلة يوننيكس / لينكس.

Protocol

1. تقسيم النظام متعدد الجزيئية إلى جزيئات فردية إنشاء هيكل النظام الذي يحتاج إلى بناء هاملتوني مثير في تنسيق ملف جزيئي Tripos MOL2. يمكن أن يكون هذا الهيكل لقطة من ديناميات الجزيئية أو محاكاة مونتي كارلو للنظام. إذا كانت جميع الجزيئات في النظام تتكون من نفس العدد من الذرات، استخدم getMon…

Representative Results

في هذا القسم نقدم نتائج تمثيلية لحساب طيف الامتصاص البصري لمجموع ستة جزيئات YLD 124 ، كما هو موضح في الشكل 3a، حيث تم الحصول على بنية التجميع من محاكاة مونتي كارلو الخشنة الحبيبات. YLD 124 هو chromophore نقل تهمة نموذجية التي تتكون من مجموعة الإلكترون التبرع من أمين diethyl مع tert-butyldimethylsilyl …

Discussion

تسمح الطريقة المعروضة هنا بتخصيصات متعددة. على سبيل المثال، من الممكن تعديل معلمات حسابات DFT و TD-DFT، بما في ذلك الكثافة الوظيفية، ومجموعة الأساس، والتعريف المحدد لشحنات النقطة الذرية.

يوصى باستخدام وظائف مصححة بعيدة المدى، مثل οB97X أو οB97XD أو οPBE، من أجل الحصول على كثافات انت?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نشكر الدكتور أندرياس تيلاك (مختبر أوك ريدج الوطني) والدكتور لويس جونسون (جامعة واشنطن) والدكتور بروس روبنسون (جامعة واشنطن) على تطوير برنامج محاكاة مونتي كارلو الخشنة الحبيبات التي تم استخدامها لتوليد بنية النظام الجزيئي المعروض في قسم النتائج التمثيلية. ويدعم A.A.K. و P.F.G. من قبل جائزة بحثية تعاونية من كلية العلوم، CSU الخليج الشرقي. يتم دعم M.H. من قبل زمالة Forever Pioneer من مركز أبحاث الطلاب، CSU East Bay. ويدعم C.M.I. وS. من قبل وزارة الدفاع الأمريكية (الاقتراح 67310-CH-REP) تحت مكتب القوات الجوية للبحوث العلمية قسم المواد العضوية.

Materials

Gaussian 16, revision B1
Multiwfn version 3.3.8
GNU compiler collection version 9.2
python 2.7.0

References

  1. Tsujimura, T. . OLED Display Fundamentals and Applications, 2nd Ed. , (2017).
  2. Barnes, D. LCD or OLED: Who Wins. SID Symposium Digest of Technical Papers. 44 (1), 26-27 (2013).
  3. Mizukami, M., et al. Flexible Organic Light-Emitting Diode Displays Driven by Inkjet-Printed High-Mobility Organic Thin-Film Transistors. IEEE Electron Device Letters. 39 (1), 39-42 (2018).
  4. Koden, M. . OLED Displays and Lighting. , (2017).
  5. Fan, B., et al. Achieving Over 16% Efficiency for Single-Junction Organic Solar Cells. Science China Chemistry. 62 (6), 746-752 (2018).
  6. Dalton, L. R., Gunter, P., Jazbinsek, M., Kwon, O. P., Sullivan, P. A. . Organic Electro-Optics and Photonics: Molecules, Polymers, and Crystals. , (2015).
  7. Robinson, B. H., et al. Optimization of Plasmonic-Organic Hybrid Electro-Optics. Journal of Lightwave Technology. 36 (21), 5036-5047 (2018).
  8. Yu, D., Yang, Y. Q., Chen, Z., Tao, Y., Liu, Y. F. Recent Progress on Thin-Film Encapsulation Technologies for Organic Electronic Devices. Optics Communications. 362 (1), 43-49 (2016).
  9. Wanapun, D., Hall, V. J., Begue, N. J., Grote, J. G., Simpson, G. J. DNA-Based Polymers as Chiral Templates for Second-Order Nonlinear Optical Materials. ChemPhysChem. 10 (15), 2674-2678 (2009).
  10. Siao, Y. Y., et al. Orderly Arranged NLO Materials on Exfoliated Layered Templates Based on Dendrons with Alternating Moieties at the Periphery. Polymer Chemistry. 4 (9), 2747-2759 (2013).
  11. Sepeai, S., Salleh, M. M., Yahaya, M., Umar, A. A. Improvement of White Organic Light Emitting Diode Performances by an Annealing Process. Thin Solid Films. 517 (16), 4679-4683 (2009).
  12. Mao, G., et al. Considerable Improvement in the Stability of Solution Processed Small Molecule OLED by Annealing. Applied Surface Science. 257 (17), 7394-7398 (2011).
  13. Parr, R. G., Yang, W. . Density Functional Theory of Atoms and Molecules. , (1989).
  14. Dreizlerm, R. M., Gross, E. K. U. . Density Functional Theory: An Approach to the Quantum Many-body Problem. , (1990).
  15. Burke, K., Werschnik, J., Gross, E. K. U. Time-Dependent Density Functional Theory: Past, Present, and Future. Journal of Chemical Physics. 123 (6), 062206 (2005).
  16. Ullrich, C. . Time-Dependent Density-Functional Theory: Concepts and Applications. , (2011).
  17. Vydrov, O. A., Scuseria, G. E. Assessment of a Long-Range Corrected Hybrid Functional. Journal of Chemical Physics. 125 (23), 234109 (2006).
  18. Tawada, Y., Tsuneda, T., Yanagisawa, S. A Long-Range-Corrected Time-Dependent Density Functional Theory. Journal of Chemical Physics. 120 (18), 5425 (2004).
  19. Rohrdanz, M. A., Herbert, J. M. Simultaneous Benchmarking of Ground- and Excited-State Properties with Long-Range-Corrected Density Functional Theory. Journal of Chemical Physics. 129 (3), 034107 (2008).
  20. Autschbach, J. Charge-Transfer Excitations and Time-Dependent Density Functional Theory: Problems and Some Proposed Solutions. ChemPhysChem. 10 (11), 1757-1760 (2008).
  21. Nelson, J., Kwiatkowski, J. J., Kirkpatrick, J., Frost, J. M. Modeling Charge Transport in Organic Photovoltaic Materials. Accounts of Chemical Research. 42 (11), 1768-1778 (2009).
  22. Walker, A. B. Multiscale Modeling of Charge and Energy Transport in Organic Light-Emitting Diodes and Photovoltaics. Proceedings of the IEEE. 97 (9), 1587-1596 (2009).
  23. Wang, L., Li, Q., Shuai, Z., Chenc, L., Shic, Q. Multiscale Study of Charge Mobility of Organic Semiconductor with Dynamic Disorders. Physical Chemistry Chemical Physics. 12 (13), 3309-3314 (2010).
  24. Davydov, A. S. . Theory of Molecular Excitons. , (1971).
  25. Agranovich, V. M. Excitations in Organic Solids. International Series of Monographs on Physics. 142, (2008).
  26. Frenkel, J. On the Transformation of Light into Heat in Solids. I. Physical Review. 37 (1), 17-44 (1931).
  27. Kocherzhenko, A. A., Lee, D., Forsuelo, M. A., Whaley, K. B. Coherent and Incoherent Contributions to Charge Separation in Multichromophore Systems. Journal of Physical Chemistry C. 119 (14), 7590-7603 (2015).
  28. Lee, D., Forsuelo, M. A., Kocherzhenko, A. A., Whaley, K. B. Higher-Energy Charge Transfer States Facilitate Charge Separation in Donor-Acceptor Molecular Dyads. Journal of Physical Chemistry C. 121 (24), 13043-13051 (2017).
  29. Kocherzhenko, A. A., Sosa Vazquez, X. A., Milanese, J. M., Isborn, C. M. Absorption Spectra for Disordered Aggregates of Chromophores Using the Exciton Model. Journal of Chemical Theory and Computation. 13 (8), 3787-3801 (2017).
  30. Kocherzhenko, A. A., et al. Unraveling Excitonic Effects for the First Hyperpolarizabilities of Chromophore Aggregates. Journal of Physical Chemistry C. 123 (22), 13818-13836 (2019).
  31. Krueger, B., Scholes, G., Fleming, G. Calculation of Couplings and Energy-Transfer Pathways between the Pigments of LH2 by the ab Initio Transition Density Cube Method. Journal of Physical Chemistry B. 102 (27), 5378-5386 (1998).
  32. Frisch, M. J., et al. Gaussian 16, Revision B.01. Gaussian, Inc. , (2016).
  33. Lu, T., Chen, F. Multiwfn: A Multifunctional Wavefunction Analyzer. Journal of Computational Chemistry. 33 (5), 580-592 (2012).
  34. Chai, J. D., Head-Gordon, M. Systematic Optimization of Long-Range Corrected Hybrid Density Functionals. Journal of Chemical Physics. 128 (8), 084106 (2008).
  35. Hehre, W., Ditchfield, R., Pople, J. Self-Consistent Molecular Orbital Methods. XII. Further Extensions of Gaussian-Type Basis Sets for Use in Molecular Orbital Studies of Organic Molecules. Journal of Chemical Physics. 56 (5), 2257-2261 (1972).
  36. Hariharan, P., Pople, J. The Influence of Polarization Functions on Molecular Orbital Hydrogenation Energies. Theoretica chimica acta. 28 (3), 213-222 (1973).
  37. Breneman, C. M., Wiberg, K. B. Determining Atom-Centered Monopoles from Molecular Electrostatic Potentials. The Need for High Sampling Density in Formamide Conformational Analysis. Journal of Computational Chemistry. 11 (3), 361-373 (1990).
  38. Mulliken, R. S. Electronic Population Analysis on LCAO-MO MolecularWave Functions. I. Journal of Chemical Physics. 23 (10), 1833-1840 (1955).
  39. Jen, A., et al. Exceptional Electro-Optic Properties through Molecular Design and Controlled Self-Assembly. Proceedings of SPIE. 5935, 593506 (2005).
  40. Hirata, S., Head-Gordon, M. Time-Dependent Density Functional Theory Within the Tamm-Dancoff Approximation. Chemical Physics Letters. 314 (3-4), 291-299 (1999).
  41. Randolph, K. A., Myers, L. L. . Basic Statistics in Multivariate Analysis. , 11-34 (2013).
  42. Garrett, K., et al. Optimum Exchange for Calculation of Excitation Energies and Hyperpolarizabilities of Organic Electro-optic Chromophores. Journal of Chemical Theory and Computation. 10 (9), 3821-3831 (2014).
  43. Sekino, H., Maeda, Y. Polarizability and Second Hyperpolarizability Evaluation of Long Molecules by the Density Functional Theory with Long-Range Correction. Journal of Chemical Physics. 126 (1), 014107 (2007).
  44. Johnson, L. E., Dalton, L. R., Robinson, B. H. Optimizing Calculations of Electronic Excitations and Relative Hyperpolarizabilities of Electrooptic Chromophores. Accounts of Chemical Research. 47 (11), 3258-3265 (2014).
  45. Lee, J., et al. Molecular Mechanics Simulations and Improved Tight-Binding Hamiltonians for Artificial Light Harvesting Systems: Predicting Geometric Distributions, Disorder, and Spectroscopy of Chromophores in a Protein Environment. Journal of Physical Chemistry B. 122 (51), 12292-12301 (2018).
  46. Bellinger, D., Pflaum, J., Brüning, C., Engel, V., Engels, B. The Electronic Character of PTCDA Thin Films in Comparison to Other Perylene-Based Organic Semi-conductors: Ab Initio-, TD-DFT and Semi-Empirical Computations of the Opto-Electronic Properties of Large Aggregates. Physical Chemistry Chemical Physics. 19 (3), 2434 (2017).
  47. Zuehlsdorff, T. J., Isborn, C. M. Combining the Ensemble and Franck-Condon Approaches for Calculating Spectral Shapes of Molecules in Solution. The Journal of Chemical Physics. 148 (2), 024110 (2018).
  48. Zuehlsdorff, T. J., Isborn, C. M. Modeling Absorption Spectra of Molecules in Solution. International Journal of Quantum Chemistry. 119 (1), 25719 (2019).
  49. Plötz, P. A., Megow, J., Niehaus, T., Kühn, O. All-DFTB Approach to the Parametrization of the System-Bath Hamiltonian Describing Exciton-Vibrational Dynamics of Molecular Assemblies. Journal of Chemical Theory and Computation. 14 (10), 5001-5010 (2018).
  50. Tillack, A., Johnson, L., Eichinger, B., Robinson, B. H. Systematic Generation of Anisotropic Coarse-Grained Lennard-Jones Potentials and Their Application to Ordered Soft Matter. Journal of Chemical Theory and Computation. 12 (9), 4362-4374 (2016).

Play Video

Cite This Article
Kocherzhenko, A. A., Shedge, S. V., Germaux, P. F., Heidarian, M., Isborn, C. M. Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids. J. Vis. Exp. (159), e60598, doi:10.3791/60598 (2020).

View Video