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，我们的研究主要集中在以下三个方面。 i)分子晶体在温度T下处于热平衡状态，因此分子间构型存在波动，这被认为会影响分子组装系统的电子性质。以激子载流子产生过程之一的单线态裂变（SF）为例，我们开发了一种考虑单线态裂变对SF的热涨落影响的新量子经典混合计算方案，并研究了并五苯分子晶体的热结构首次通过理论计算阐明了波动加速SF的机制。该成果发表在美国化学会的Journal of Physical Chemistry上，后者还被选为Supplementary Cover。 ii）为了讨论和控制开壳层分子一维堆叠组装系统的物理性质（本研究的主题），我们研究了表征开壳层电子态的简单参数。为了将单分子水平上表征开壳层电子态的双自由基因子推广到无限系统的情况，我们计算了有限N聚体的双自由基因子yi的平均值和方差，并提出了方案将它们装甲为 N→∞ 建议。平均值N→∞的极限值对应于固体中的平均开壳性质，色散的极限值对应于分子间相互作用（价带和导带的带宽）。由于双自由基因子是可以为任何系统定义的无量纲量，因此它对于构建独立于分子种类的聚合系统的设计指南非常有用。目前正在准备获得的结果，以便在 R5 年初提交给学术期刊。 iii) 实验观察到，在电荷转移复合物等分子晶体中，有限数量的供体分子形成聚集体，并且整体处于单阳离子或双阳离子状态。决定每个单体的电荷分布的因素尚未确定。阐明了。今年，我们构建了一个新的哈密顿量模型，考虑了分子晶体中分子系统的轨道展宽，发现决定电荷分布的因素可以用电子和空穴之间的库仑斥力来解释。