Comprehensive molecular dynamics simulations to reproduce the whole processes of nucleation and growth of organic semiconductor thin films

全面的分子动力学模拟，重现有机半导体薄膜成核和生长的整个过程

基本信息

批准号：
21K05205
负责人：
池田進
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Tohoku 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

研究期間の2年目となった2022年度は、初年度に整備した分子動力学（MD）シミュレーションシステム（ハードウェア、ソフトウェア）、ならびにそれを用いて行った予察的シミュレーション結果を基に、より詳細な条件でのMDシミュレーションを実施した。具体的には、表面を疎水性官能基で修飾したアモルファスシリカ基板上における有機半導体ペンタセン分子の寝た状態から立った状態への分子再配向過程を様々な温度条件のシミュレーションで確認し、メカニズム解明に注力した（棒状有機半導体分子は孤立している状況において基板表面に寝て吸着するが、成長後の薄膜中では立っているという普遍的な現象があり、寝た状態から立った状態への分子再配向をシミュレーションで再現し理解することが、本研究課題の最終目標である核生成・薄膜成長全過程包括シミュレーションを達成するための鍵になると考えられる）。初年度の予察的シミュレーションにおいて、立った分子からなるクラスターを予め初期構造モデル中に配置すると、周囲の寝た分子や分子クラスターが再配向して立つ場合があるという結果が得られていたため、同様の初期構造モデルを出発点とし、245 Kから520 Kという幅広い温度範囲（25 Kきざみ）でシミュレーションを行い、再配向現象を考察した。シミュレーション結果の動画より、既に立っている分子クラスター近傍の寝た分子クラスターが一気に立ち上がる様子が再現性良く確認されたが、熱的、速度論的な考察から、高分子の再配向で見られる協同運動とは異なり、１分子が立つ際のエネルギー障壁程度のトリガ（立った分子クラスターと寝た分子・分子クラスターの間のエネルギー的相互作用）によって、複数分子からなるクラスターであっても同期現象的に立ち上がることがわかった。

2022年，即研究期的第二年，我们将利用第一年开发的分子动力学（MD）模拟系统（硬件、软件）以及使用它进行的初步模拟结果，为MD模拟提供更详细的信息。在以下条件下进行。具体来说，我们通过不同温度条件下的模拟，证实了有机半导体并五苯分子在表面用疏水性官能团修饰的无定形二氧化硅基底上从平躺状态到直立状态的分子重新取向过程，并阐明了其机理（棒状。有机半导体分子在基板表面上被隔离。）分子被吸附在表面上，但在生长后在薄膜中直立是一种普遍现象，这项研究的目标是通过模拟再现和理解分子从平躺状态到直立状态的重新定向。这被认为是实现成核和薄膜生长全过程综合模拟最终目标的关键。）在第一年进行的初步模拟中，我们发现，如果将直立分子簇放置在初始结构模型中，周围的平躺分子和分子簇可能会重新定向并站立起来。在 245 K 至 520 K（以 25 K 增量）的宽温度范围内进行模拟，以检查重新取向现象。模拟结果的视频以良好的再现性证实了已经站立的分子簇附近的躺着的分子簇突然站起来，但从热和动力学的考虑，证实了在聚合物重新取向中观察到的合作，与运动不同，触发类似。当一个分子站立时（站立的分子簇和躺着的分子/分子簇之间的能量相互作用）会产生同步现象，即使在由多个分子组成的簇中我发现它也站立起来。