Organik Elektroniki C ⁇ Design aracılığıyla Yeniden Tanımlama

Modern elektronik manzara, katı silikon bazlı bileşenlerden hafif, esnek ve çözüm işlemeye yönelik olarak uzaklaşıyor. Organik elektronik malzemeler -karbon bazlı yarı iletkenler, iletkenler ve bu dönüşümlerin merkezinde, araştırmacıların sentezlenmesi ve test edilmesi gibi güçlendirici cihazlardan (OLEDs), organik hücreler (OPVs), organik alan- etkiler transistörler (OFETs), ve esnek ekran teknolojileri. Ancak bu malzemelerin tasarımı tarihsel olarak yavaş, deneme yoğun bir süreçtir.

Bu, Yoğun Fonksiyonel Teori (DFT) temel olarak organik elektronik malzemelerin keşfi ve optimizasyonunu hızlandırdığı yerdir. Araştırmacıların sanal ekipman kütüphanelerini ekranlamaları ve belirli bir cihaz için moleküler mimarileri öngörerek, tek bir reaksiyon gerçekleşmeden önce tüm DFT'nin etkisi üst düzeyde hızlandırılabilir; DFT'nin organik elektronik malzemelerinin keşfi ve optimizasyonu, araştırmacıların, büyük ölçüde, rasyonel bir şekilde yönlendirilen bir disiplinden diğerine dönüştürülmesine olanak sağlar.

Yoğun Fonksiyonel Teori nedir? Malzeme Bilim Adamları için Bir Primer

Mekanik Fonksiyonel Teori, atomların elektronik yapısını, molekülleri ve kondüktör fazlarını hesaplamak için kuantum mekanik bir modelleme çerçevesidir. 1960'larda Walter Kohn ve meslektaşları tarafından modern formda geliştirilmiştir - Kohn'u 1998'de Kimya'da kazandı-DFT şimdi en yaygın kullanılan yöntemdir.

Core Fikir: Elektron Dalga Fonksiyonlarının Üzerindeki Etkileri

Geleneksel olarak, her elektronun sistemdeki dalga fonksiyonunu doğrudan hesaplamaya çalışır. - Hartree-Fock veya post-Hartree-Fock yaklaşımlar, elektron yoğunluğu kullanarak bu karmaşıklığın tek başına hesaplamaya çalışır.Ingenberg-Kohn teoremleri hesaplamak için, tüm zemin-devlet özellikleri için - bu karmaşıklıkta elektron yoğunluğuna bağlı olarak, üç uzaysal yoğunlukta elektron yoğunluğuna bağlı olarak belirlenir.

Bu boyutsallıktaki azalma, Doğru elektron yoğunluğunu yeniden üreten elektronların bir setini hesaplamak için DFT'yi mümkün kılar. Uygulamada, çoğu hesaplamalar Kohn-Sham formalizmi kullanarak yapılır ve bu, gerçek elektron yoğunluğunu yeniden üreten bir dizi elektronu çözer.Bu non-interacting elektronları ve gerçek etkileşim sistemini, artı diğer tüm değişim ve korelasyon etkilerini kullanarak ele alır.

Değişim-Kurallama Fonksiyonelleri: The Heart of Truth

Değişim-korelasyon seçimi, elektron ve korelasyon etkileşimlerinin hükmeddiği organik elektronik malzemeler için DFT hesaplamasının doğruluğunu ve güvenilirliğini belirler.Sırasal Yoğunluk Approximasyon (LDA), basit metaller ve yarı iletkenler için iyi çalışır, ancak genellikle elektron ve korelasyon etkileşimlerinin hükmedildiği organik moleküllerin doğruluğunu ve güvenilirliğini belirler.

  • [FONT:0)Genelleştirilmiş Gradient Approximasyon (GGA)) - PBE gibi fonksiyoneller (Perdew-Burke-Ernzerhof) yoğunluğun yüksekliğini, moleküler geometriler ve reaksiyon engellerinin doğruluğunu artırmak.
  • [FONT=0]Hybrid Fonksiyoneller [[Döneticiler: 0,4LYP ve PBE0 gibi, bu da Hartree-Fock teorisinden GGA değişim-korrelasyon ile tam bir değişimin bir kısmını karıştırır. Bu işlevseller genellikle HOMO ve LUMO enerjileri için daha üstün tahminlere sahiptir, organik elektroniklerle ilgili moleküler boşluklar ve moleküler özellikler.
  • [FONT:0]Range-Separated ve Long-Range Doğrulanmış Fonksiyoneller), CAM-B3LYP ve ⁇ B97X-D gibi, özellikle de genişletilmiş }}-konjugasyon ile transferleri ve sistemleri işlemek için tasarlanmıştır.
  • [FONT-D3 (Grimme) ve DFT-D4, kristal paketleme ve organik sağlam taşımayı öngörmek için amplitüdüntüleri dikkate almak için amplitüdüt terimleri eklemek için, organik sağlam taşımalarda kristal taşıma ve intermoleculara yönelik yükü tahmin etmek için eleştirel.

Organik elektronik malzemeler için, dağıtım düzeltmeleri ile birlikte hibrit ve aralıksız fonksiyoneller genellikle elektronik boşlukların güvenilir tahminleri, iyonizasyon potansiyelleri, elektron yakınlığı ve yeniden organize enerjileri için önerilir.

DFT'nin Organik Elektronik Malzemeleri Geliştirmedeki Rolü

DFT'nin malzeme geliştirme hattına entegrasyonu, hesaplama tarama ve rasyonel tasarımın doğrudan deneysel sonuçları etkilediği birçok cephe açtı. Aşağıda en önemli katkılar vardır.

HOMO ve LUMO Enerji Seviyelerini Tahmin Etmek

En yüksek meşgul moleküler orbital (HOMO) ve en düşük işlenmiş moleküler yörünge (LUMO) enerjileri organik elektronik malzemeler için en kritik parametreler arasındadır. Malzemelerin organik güneş hücrelerinin enerji seviyelerini en yüksek oranda, kırmızı iletkenlik ve optik absorpsiyon spektrumunu optimize etme ve DFT hesaplamalarını rutin olarak ilk tarama için yeterli olan yörüngede optimize ederler, özellikle de hibrit fonksiyoneller kullanıldığında.

Ayrıca, DFT bu yörüngelerin uzaysal dağılımını ortaya çıkarabilir - örneğin, konjugated back Bone'da yer alan bir HOMO, bir LUMO yerelleştirilmiş bir elektron-repi grubu verimli elektron enjeksiyonu önerirken. Bu anlayış, yüksek performanslı organik elektroniklere yönelik moleküler tasarıma doğru malzemelere yönelik temel bir gerekliliktir.

Şarj Transport Mechanisms

Organik yarı iletkenlerde şarj taşımacılığı temel olarak organik malzemelerden farklıdır, zayıf van der Waals güçleri, Bolt bant genişliğine ve güçlü elektron destekli darbeye yol açar. Ulaşım, bir molekülden diğerine termal olarak aktif bir şekilde hareket eden bir süreçtir. DFT, Fermi'nin altın kuralı ve daha gelişmiş yaklaşımlarla bir araya getirilen ve iki anahtar parametreyi hesaplayabilir: yeniden organize edilebilir (konomi) ve transfer (t) ve transfer.

  • [FONT:0)Reorganizasyon enerjisi) - Bir molekülün şarjı üzerine geometrik bozulması ile ilişkili enerji maliyeti. Aşağı ⁇ değerleri daha hızlı şarj oranlarına karşılık gelir ve DFT bu enerji cezasını en aza indiren moleküler yapıları tanımlanabilir, örneğin sert, planlayıcı konjugated sistemleri.
  • [FONT:0)Transfer integrali[[[Dönetici: 1) - komşu moleküller arasındaki elektronik darbe, hangi temel yönelimlerine ve dalga fonksiyonunun örtüşmesine bağlı. DFT, kristal yapılar veya moleküler dimers üzerindeki hesaplamalar en yüksek şarj hareketliliğini hangi paketleme motiflerini tahmin edebilir.

Bu parametreleri sistematik olarak çeşitli moleküler yapılar ve hesaplamak suretiyle, araştırmacılar tahmini de delik veya elektron seferberliği 1 cm2/V'leri aşarak malzeme tasarlayabilirler - görüntüler ve mantık devrelerinde ticari uygulamalar için bir hedef.

Stability ve Performans için Moleküler Yapıları İyileştirmek ve Performans

Organik elektronik cihazlar sürekli elektrik stresi altında, hava ve nezarete maruz kalma ve sık sık sık yüksek sıcaklıklar. Moleküler istikrar, bu nedenle radikal sınırlar veya işletim koşulları altında bir malzeme eğilimi gösterebilir, bu şarj türlerinin tanıtımına rehberlik eder.

Ek olarak, DFT geometri optimizasyonları, son katı-devlet yapısını nasıl etkilediği konusunda doğru moleküler konforlar ve intermolecular paketleme motifleri sağlar, ki bu ince film morfolojisi ve cihaz performansına etki eder.DFT'yi moleküler dinamiklerle (MD) veya kristal yapı tahmin algoritmalarıyla birleştirerek, araştırmacılar son katı-devlet yapısını nasıl etkileyebilirler - doğrudan spin-coating, bıçak açma teknikleri veya termal buharlaştırma gibi bilgilendirici teknikler hakkında bilgi verebilirler.

Sanal Malzeme Kütüphaneleri

Belki de organik elektronikteki DFT'nin en dönüştürücü uygulaması, organik fotovoltaik uygulamalar için yüzlerce molekülü taradı, daha sonra deneysel olarak doğrulanan onlarca yeni bağışçı-akceptor kombinasyonu tespit etti.Bu yaklaşım, belirli uygulamalar için umut verici materyalleri hızla tanımlayabiliyorken, Harvard Clean Energy Project ve benzer girişimler, daha da keşifleri hızlandıran düzinelerce yeni bağışçı-aksepsiyonel yöntemler için yüzlerce yeni bir araya getiriyor.

Sanal tarama genellikle içerir:

  • Tanık moleküler yapıların büyük bir kütüphanesini ya bilinen bina bloklarından veya jeneratif modeller aracılığıyla.
  • Anahtar tanımlayıcıları hesaplamak için Gaussian, ORCA veya VASP gibi yazılımları kullanarak otomatik DFT iş akışları (örneğin, kutupluluk, yeniden organize enerji ve çözünürlük parametreleri.
  • Belirli bir grupgap aralığı, yüksek şarj hareketliliği ve iyi hava istikrarı gibi molekülleri aynı anda tatmin etmek için çok-objective optimizasyon filtreleri uygulayın.
  • Deneysel sentez ve cihaz üretimi için kısa bir listeye son vermek.

Bu veri odaklı paradigma dünya çapında akademik ve endüstriyel araştırma laboratuvarlarında standart hale geldi.

Vaka Çalışmaları: Eylemde DFT

Organik Güneş Hücreleri

Organik fotovoltaikler (OPVs) güneş ışığı, günümüzde elektron destekli ve elektron destekli organik yarı iletkenleri kullanarak elektrik içine dönüştürür.OPV'lerin gücü dönüşüm verimliliği (PCE) bugün% 5'ten yükseldi ve DFT bu ilerlemede araçsızlanma ve yan yanarıcı olmayan yüzeylerde daha fazla verimsizliğe sahip olacak.

Organik Işık-Eating Diodes

Dinozorlar şimdi yüksek uçlu telefonlar ve televizyonlarda çok az şey yapıyor ve DFT, ilk tekt (S1) ve üçlü (T1) arasında, üç kat daha etkili bir şekilde aktifleştirilmiş fluorsan (TADF) yayılabilir.For TADF malzemeleri için anahtar, zaman bağımlı DFT (TD-DFT) kullanarak küçük bir enerji boşluğu elde etmek için yeterlidir.

Esnek Ekranlar ve Baslı Elektronik

Hızlı görüntüler ve baskılı devrelerin rüyası, düşük sıcaklıklarda çözümden işlenebilir ve yüksek şarj hareketliliğini sürdürürken, DFT, uzun vadeli kristalleri ve verimli şarjları teşvik eden DFT hesaplarıyla polimer yarı iletkenleri tasarlamak için kullanılmıştır. Örneğin, indacenodithiophene-bazlı polimerlerin tasarımı, bu esnek prototipler için 1 cm2/V'ler üzerinde hareket eden ve elektronik cihazlar için kullanılabilir.

Organik Elektronikte DFT için Sınırlamalar ve Zorluklar

DFT güçlü olsa da, sınırlama olmaksızın değildir. DFT'yi organik elektronik malzemelere uyguladığında çok sayıda tanınmış zorluk dikkate alınmalıdır.

  • [FONT:0]Bandgap enestimasyon[Dönetici: 1) Geleneksel (semi-yerel) DFT işlevleri, kendi hareket hatası nedeniyle malzemelerin temel bandgaplarını sistematik olarak hafife alabilir. Hybrid ve aralıksız fonksiyoneller bunu azaltır, ancak daha yüksek hesaplama maliyetinde bile.
  • [FONT:0)Excited states and optik özellikler[DDD-DFT), doğru tek ve üç enerjilerin gerekli olduğu standart yöntemdir, ancak yük devretme karakteri veya genişletilmiş }}-konjugasyon ile sistemler için daha az güvenilirdir.
  • [FONT:0)Molecular paketleme ve morfoloji[Dönetici:0)[DFT)[Döneticileri veya küçük kümeler üzerinde vakumda yapılır. Katı durumda molekülün özellikleri kristal paketleme, polimorphism ve ince film morfolojisi nedeniyle önemli ölçüde farklılık gösterebilir.
  • [FONT:0)C ⁇ büyük sistemler için maliyeti[DDDDK:1) - DFT dalga bazlı yöntemlere göre verimlidir, binlerce atomla sistemlerde hesaplamalar (örneğin, birçok tekrarlanan üniteler, büyük agresyonlar veya arayüzler) hesaplamalı olarak talep edilen lineer-skaling yöntemleri veya makine öğrenimine ihtiyaç vardır.
  • [FONT:0]Spin devletler ve açık-söz sistemleri – Organik radikaller veya sistemler, boş olmayan elektronlarla (örneğin, belirli yük devretme ortalarında) uygulanabilir DFT veya multireferans yöntemleri gerektirir, doğruluk daha fazla kritere bağlıdır ve karşılaştırmak zor olabilir.

Bu sınırlamaların farkındalığı DFT sonuçlarını doğru bir şekilde yorumlamak ve tahminlere olan güvenden kaçınmak için gereklidir. Deney verilere karşı kritik geçerlilik - ultraviyole fotoelectron spektroskopi (UPS), fotoemission spectroskopi (IPES), veya döngü voltammetrisi gibi - gerekli bir uygulama olarak.

Future Perspectives: DFT Nerede Başlıyor

DFT'nin organik elektronikteki yörüngesi daha büyük doğruluk, daha geniş uygulama kabiliyeti ve deneysel iş akışları ve veri bilimi ile daha derin entegrasyon yönündedir.

Gelişmiş Fonksiyoneller ve Öteki-DFT Yöntemleri

Daha sonraki nesil fonksiyoneller, uzun vadeli bir korelasyon, non-yerel değişim ve çevre etkileri aktif bir gelişme altında. örnekler, optimal bir şekilde ayarlanmış aralıklı işlevsellerin, birçok insan perturbasyon teorisinin dahil edilmesi (örneğin, DFT’yi belirli bir ilgi alanları için üst düzey dalga-işmanlık teorisi ile birleştiren yöntemleri içeren) içerir (örneğin, bir protein ortamında veya bir kabuklu bir sınırda şarj.

Yüksek-Throughput ve Özerk İş Akışları

Bir sonraki sınır, DFT'nin robotik sentez ve otomatik karakterizasyon platformları ile entegrasyonudur, kapalı-loop keşif sistemleri yaratır.Bu tür bir sistemde, DFT hesaplamaları aday molekülleri önerir, bir robot sentezleri onları, yüksek kodlu bir karakterizasyon aracı özelliklerini ölçer ve sonuçları önümüzdeki on yıl boyunca boyutlandırmak için makine öğrenimi modellerine geri besleniyor.

Makine Öğrenmeleri Şaşırtıcı ve Acelerated DFT

DFT verileri üzerinde eğitilmiş makine öğrenme modelleri, DFT hesaplamalarının bir kısmını hesaplama maliyetinin bir kısmında yeniden üretebilir. Neural ağ potansiyelleri, çekirdek geri dönüşüm ve sinir ağları artık yüksek kaliteli eğitim verileri ve makine öğrenimi için yüksek kaliteli eğitim için öğrenme için, muhtemelen mikro-dömürücük doğruluk için milyonlarca kimyasal kimyasalın geliştirilmesini sağlar.

Molecule'den Cihaza Çok Geniş Modelleme

Nihai hedef, makroskobik düzeydeki cihaz performansına uygun olarak, araştırmacıların I-V özelliklerini tamamen ilk prensiplerden uzaklaştırmasına izin verecek şekilde kuantum mekaniklerini (DFT'yi atom seviyesinde) yönlendirecek şekilde bağlantı kurmalarına izin verecek.Bu vizyon, makroskobik düzeydeki ve cihaz performansını şarj etmeye devam ederken, araştırmacıların I-V özelliklerini tahmin etmesine izin verecek.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yoğun fonksiyonel teori temel olarak organik elektronik materyallerin tasarlandığı şekilde yeniden şekillendirmiştir ve optimize edilmiştir.Grup ve LUMO seviyelerini güneş hücreleri için binlerce sanal molekülü taramak için tahmin etmek, LED ve esnek transistör, DFT, deneysel sentez ve cihaz üretimi için temel bir ortak haline gelmiştir.

Hesaplama yöntemleri ilerlemeye devam ediyor – daha doğru işlevseller, otomatik iş akışları ve makine öğrenimi entegrasyon ile - DFT'nin organik elektroniklerdeki rolü sadece derinleşecektir.DFT'nin organik elektronik üzerindeki etkisi sadece tarihi değildir; verilen bir uygulama için geçerli ve hızlanan bir kuvvet, bir robot platformu tarafından sentezlenebilir ve yıllar içinde bir cihazda doğrulanır.

Daha derin bir teknik atla ilgilenen okuyucular için, birkaç mükemmel inceleme makale ve ders kitabı DFT organik elektronik bağlamında kapaklı kapaklar.Notable resources include [[ENFLT:0)C ⁇ Design of Organic partitions" in 03.D.D.V.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.P.P.D.P.D.D.D.D.D.P.P.P.D.P.P.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.P.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.P.P.P