Quantum design for novel optical functional materials composed of open-shell molecules

由开壳层分子组成的新型光学功能材料的量子设计

基本信息

批准号：
21K04995
负责人：
岸亮平
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は次の3つの項目に焦点を当てた研究を行った。i)分子性結晶中では、温度Tで熱平衡状態にあるため、それによる分子間配置のゆらぎが存在し、それが分子集合系の電子物性に影響を与えると考えられる。励起子キャリア生成過程の一つである一重項分裂（SF）を例として、SFに対する熱ゆらぎ効果を考慮する量子・古典ハイブリッド型の計算スキームを新たに開発し、ペンタセン分子性結晶における熱的構造ゆらぎがSF を高速化する機構を初めて理論計算により明らかにした。成果はアメリカ化学会の物理化学誌に掲載され、特に後者はSupplementary Coverにも採択された。ii)本研究で主題としている開殻分子の一次元積層集合系の物性を議論し制御するための、開殻電子状態を特徴づける簡便なパラメータを検討した。単分子レベルの開殻電子状態を特徴づけるジラジカル因子を無限系の場合に拡張するため、有限N量体のジラジカル因子yiの平均値と分散を計算し、それをN→∞に外装するスキームを提案した。平均値のN→∞の極限値は固体中の平均的な開殻性を、分散の極限値は分子間相互作用（価電子帯や伝導帯のバンド幅）に対応する。ジラジカル因子はどのような系についても定義できる無次元量であるため、これは分子種によらない集合系の設計指針構築に有用である。得られた成果はR5年度初頭に学術雑誌に投稿するため準備中である。iii)電荷移動錯体のような分子性結晶の中には有限個数のドナー分子が集合体を形成し、全体でモノカチオンやジカチオン状態になっているものが実験的に観測されているが、各単量体ごとの電荷分布を決めている要因については未解明であった。本年度はこのような分子性結晶における分子系の軌道広がりを考慮したモデルハミルトニアンを新たに構築し、電荷分布を決める要因が電子間/ホール間のクーロン反発で説明できることを見出した。

今年，我们进行了针对以下三个项目的研究：i）在分子晶体中，由于它们处于温度t的热平衡，因此由于此，分子间排列有波动，这被认为会影响分子组装系统的电子特性。 Using singlet splitting (SF), one of the exciton carrier generation processes, as an example, we have developed a new quantum-classical hybrid calculation scheme that takes into account the thermal fluctuation effect on SF, and for the first time, we have revealed through theoretical calculations the mechanism by which thermal structural fluctuations in pentacene molecular crystals accelerate SF.结果发表在《美国化学学会的物理化学杂志》上，尤其是补充覆盖物也采用了后者。 ii）我们研究了简单参数，这些参数表征了开放式电子状态，用于讨论和控制一维堆叠的开放壳分子组装系统的物理特性，作为这项研究的主题。为了扩展单个分子水平上的开放壳电子状态的表征到无限系统的径向因子，我们提出了一种方案，其中计算了有限n-mer的diradical yi的平均值和方差，并将外部进行n→∞。 n→∞的平均极限值对应于固体的平均开放壳特性，并且分散限值对应于分子间相互作用（Valence频段和传导带的带宽）。由于Diradical因子是可以为任何系统定义的无量纲数量，因此这对于为不是分子物种的组装系统构建设计指南很有用。目前正在为R5财政年度开始时准备获得的结果以提交给学术期刊。 iii）在分子晶体（例如电荷转移络合物）中，有限数量的供体分子形成组合，并在实验中观察到了整个单声态或疾病状态的全部，但尚未阐明确定每个单体电荷分布的因素。今年，我们构建了一种新的模型哈密顿量，该模型考虑了分子系统在分子晶体中的扩散，并发现确定电荷分布的因素可以通过electron/hole库布库仑的排斥来解释。