Разработка методов многомасштабного атомистического моделирования структуры и свойств сложных супрамолекулярных химических систем и функциональных органических материалов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 14-43-00052

НазваниеРазработка методов многомасштабного атомистического моделирования структуры и свойств сложных супрамолекулярных химических систем и функциональных органических материалов.

Руководитель Багатурьянц Александр Александрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №4 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-701 - Структура и свойства органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова многомасштабное атомиcтическое моделирование; супрамолекулярные системы; функциональные органические материалы; органическая электроника; органическая фотоника; светоизлучающие материалы; фотовольтаические материалы; аморфные органические полупроводники; органические интерфейсы; органико-неорганические интерфейсы;

Код ГРНТИ31.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Функциональные органические материалы широко используются в органической электронике, фотонике и сенсорике в качестве полупроводниковых, светопоглощающих, светоизлучающих и светочувствительных материалов в тонкоплёночных полевых транзисторах, фотовольтаических элементах, органических светодиодах, оптических хемосенсорах и других устройствах. Разработка новых и совершенствование уже известных функциональных органических материалов может не только существенно улучшить потребительские качества, но и привести к появлению новых поколений этих устройств, обладающих желаемыми свойствами. Как правило, функциональные органические материалы обладают полупроводниковыми свойствами и используются в виде аморфных тонких пленок. Их рабочие характеристики в значительной степени определяются структурной организацией на молекулярном уровне. Однако важнейшие структурные, электронные, фотофизические и фотохимические свойства этих материалов, а также соответствующие процессы далеко не всегда могут быть исследованы экспериментально на таком уровне. Кроме того, экспериментальные исследования, как правило, весьма дорогостоящи, а также требуют больших затрат времени, материальных и человеческих ресурсов. Эффективной альтернативой является использование методов компьютерного атомистического моделирования. При этом, структуру, основные свойства и элементарные процессы переноса заряда и возбуждения в таких системах моделируют, комбинируя статистическое описание микроструктуры материала методами молекулярной динамики с расчетами электронных свойств функциональных молекул методами квантовой химии и с описанием процессов переноса заряда и возбуждения в рамках подходящего варианта теории. Такой "многомасштабный" (или "многоуровневый") подход в принципе позволяет предсказывать свойства сложного материала на основе наиболее точного квантово-механического описания его молекулярных компонент с учетом эффектов локального окружения. Достоверность результатов подобного предсказательного моделирования обеспечивается (1) разработкой адекватных моделей сложной системы, (2) выбором наиболее надежных методов расчета изучаемого свойства данной молекулярной системы, (3) выбором и разработкой наиболее надежных методов учета влияния ближнего и дальнего окружения, (4) выбором и разработкой подходящего варианта теории переноса заряда или возбуждения. Для оценки достоверности получаемых результатов необходима также экспериментальная верификация. Настоящий проект посвящен детальной разработке методологии предсказательного моделирования функциональных органических материалов и ее верификации. С целью такой верификации предусмотрено исследование относительно малых супрамолекулярных систем, таких, как комплексы включения циклодекстрина и других кавитандов. Надежные экспериментальные структурные и спектральные данные (такие, как потенциалы ионизации, электронные спектры поглощения и испускания, колебательные спектры и другие) для них могут быть получены непосредственно, и, тем самым, достоверность получаемых расчетных результатов может быть проверена прямым сравнением с экспериментом. Для надежной обработки и анализа экспериментальных данных по комплексам включения в проекте предусмотрена также работа по моделированию соотношений "структура–свойство" с использованием методов хемоинформатики в применении к комплексам включения в гомогенном и гетерогенном окружении. В настоящее время имеется достаточно прочный фундамент для дальнейшего развития и совершенствования методов и подходов многомасштабного моделирования функциональных органических материалов. При этом остается еще очень большое число нерешенных, крайне актуальных научных проблем, решение которых обладает большой научной новизной. Одной из важнейших и пока еще не решенных проблем является молекулярная структура интерфейсов и электронные свойства молекул вблизи интерфейсов, которые во многом определяют эффективность работы органических и гибридных светоизлучающих и фотовольтаических устройств. Известно, например, что формирование частично упорядоченных слоев с предпочтительной ориентацией молекул в области интерфейсов существенно сказывается на эффективности работы всей системы. Поэтому одной из проблем, которые предполагается рассмотреть в предлагаемом проекте, является разработка моделей структуры и ее формирования в случае органико-органических и органико-неорганических интерфейсов, в частности, проблема образования частично упорядоченных структур в тонких пленках и на границах раздела. Здесь предполагается использовать алгоритм формирования тонких плёнок путём виртуального осаждения молекул из вакуума. В этой связи экспериментальные данные поверхностно-селективной нелинейной оптической спектроскопии будут использованы для прямого сравнения с результатами расчетов молекулярной ориентации, организации и электронных возбуждений на интерфейсах органических и гибридных фотовольтаических устройств. Следующей важной проблемой, которую предполагается рассмотреть в данном проекте, является совершенствование методик расчета электронных параметров и описания кинетических процессов в основном и возбужденных состояниях, в частности, процессов переноса заряда и возбуждения в аморфных органических материалах. Крайне важной проблемой является последовательный учет взаимодействия функциональной молекулы с ее локальным окружением. Здесь будут рассмотрены два подхода. Первый – это метод эффективных фрагментных потенциалов (ЭФП), разработанный Л. Слипченко, в котором молекулы ближайшего окружения представляются как сумма составляющих их (жестких) фрагментов, описываемых ЭФП, параметры которых находят на основе неэмпирических квантовохимических расчетов. Второй - недавно предложенный в работах Е. Хейфеца метод молекулярной фрагментации с сопряженным замыканием и кулоновской коррекцией. Указанные выше проблемы предполагается рассмотреть и решить в настоящем проекте, что определяет его актуальность и научную новизну.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Базилевский М.В., Бормотова Е.А. Charge transfer kinetics in non-polar media including a local molecular mode: the temperature dependence in wide ranges Journal of Mathematical Chemistry (год публикации - 2016)
10.1007/s10910-016-0710-z

2. D.J. Trivedi, L. Wang, and O.V. Prezhdo Auger-Mediated Electron Relaxation Is Robust to Deep Hole Traps: Time-Domain Ab Initio Study of CdSe Quantum Dots Nano Leters, vol. 15, pp. 2086−2091 (год публикации - 2015)
10.1021/nl504982k

3. Фрейдзон А.Я., Сафонов А.А., Багатурьянц А.А., Красиков Д.Н., Потапкин Б.В., Осипов А.А., Якубович А.В., Квон О. Predicting the Operational Stability of Phosphorescent OLED Host Molecules from First Principles: A Case Study Journal of Physical Chemistry C, no. 40, vol. 121, pp. 22422–22433 (год публикации - 2017)
10.1021/acs.jpcc.7b05761

4. Одиноков А.В., Багатурьянц А.А. Computer Simulation of Shallow Traps Created by Impurity Molecules in Anthracene Crystal Journal of Physical Chemistry C, V. 120, Pp. 25189−25195 (год публикации - 2016)
10.1021/acs.jpcc.6b06879

5. A.E. Masunov, D. Anderson, A.Ya. Freidzon, and A.A. Bagaturyants Symmetry-Breaking in Cationic Polymethine Dyes: Part 2. Shape of Electronic Absorption Bands Explained by the Thermal Fluctuations of the Solvent Reaction Field The Journal of Physical Chemistry A, vol. 119, pp. 6807-6815 (год публикации - 2015)
10.1021/acs.jpca.5b03519

6. M.V. Basilevsky, A.V. Odinokov, and K.G. Komarova Charge-Transfer Mobility Parameters in Photoelectronic Devices: The Advanced Miller−Abrahams Computation The Journal of Physical Chemistry B, vol. 119, pp. 7430-7438 (год публикации - 2015)
10.1021/jp5110714

7. G.A. Kaptagay, T.M. Inerbaev, Yu.A. Mastrikov, E.A. Kotomin, and A.T. Akilbekov Water interaction with perfect and fluorine-doped Co3O4(100) surface Solid State Ionics, vol. 277, pp. 77-82 (год публикации - 2015)
10.1016/j.ssi.2015.03.012

8. A. Odinokov, A. Freidzon, and A. Bagaturyants Molecular dynamics simulation of the glass transition in4,4-N,N-dicarbazolylbiphenyl Chemical Physics Letters, vol. 633, pp. 41-46 (год публикации - 2015)
10.1016/j.cplett.2015.05.013

9. Арригони М., Котомин Е.А., Майер Й. First-Principles Study of Perovskite Ultrathin Films: Stability and Confinement Effects Israel Journal of Chemistry (год публикации - 2016)
10.1002/ijch.201600056

10. Свидченко Е.А., Сурин Н.М., Сиган А.Л., Сафонов А.А. ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ «СПЯЩИХ» ЦЕПЕЙ ПОЛИВИНИЛАЦЕТАТ–COIII(SALEN) В ПРОЦЕССЕ «ЖИВОЙ» РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ Высокомолекулярные соединения. Серия Б, Т. 58, Н. 6, Сс. 457-467 (год публикации - 2016)
10.7868/S2308113916060176

11. Емелина Т.Б., Фрейдзон А.Я., Багатурьянц А.А., Карасёв В.Е. Electronic Structure and Energy Transfer in Europium(III)– Ciprofloxacin Complexes: A Theoretical Study Journal of Physical Chemistry A, V. 120, Pp. 7529–7537 (год публикации - 2016)
10.1021/acs.jpca.6b07258

12. А.В. Одиноков, А.А. Багатурьянц РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННЫХ МАТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В АМОРФНОМ МАТЕРИАЛЕ ИЗ 4,4′-БИС(9-КАРБАЗОЛИЛ)-БИФЕНИЛА Химия Высоких Энергий, ХВЭ, 2015, Т. 49, №3, С. 200–203 (год публикации - 2015)

13. A.E. Masunov and S. Gangopadhyay Heisenberg coupling constant predicted for molecular magnets with pairwise spin-contamination correction Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 396 pp. 222–227 (год публикации - 2015)
10.1016/j.jmmm.2015.07.117

14. Elena Melnic, Eduard B. Coropceanu, Olga V. Kulikova, Anatolii V. Siminel, Dane Anderson, Hector J. Rivera-Jacquez, Artëm E. Masunov, Marina S. Fonari,Victor Ch. Kravtsov Robust Packing Patterns and Luminescence Quenching in Mononuclear [Cu(II)(phen)2] Sulfates The Journal of Physical Chemistry C, J. Phys. Chem. C, Article ASAP (год публикации - 2015)
10.1021/jp5085845

15. Дубинец Н.О., Сафонов А.А., Багатурьянц А.А. Structures and Binding Energies of the Naphthalene Dimer in Its Ground and Excited States Journal of Physical Chemistry A, V. 120, Pp. 2779−2782 (год публикации - 2016)
10.1021/acs.jpca.6b03761

16. Емельянова С., Чащихин В., Багатурьянц А. Force-field parameters for beryllium complexes in amorphous layers Journal of Molecular Modeling, V. 22, Pp. 215 (год публикации - 2016)
10.1007/s00894-016-3090-1

17. Ангер И., Рыкова Е., Багатурьянц А. MD/QC Simulation of the Structure and Spectroscopic Properties of a-NPD–BAlq Exciplexes at an a-NPD/BAlq Interface in OLEDs ChemistrySelect, vol. 2, pp. 9495 – 9500 (год публикации - 2017)
10.1002/slct.201701814

18. J.R. Kalnin and E.A. Kotomin The effective diffusion coefficient in a one-dimensional discrete lattice with the inclusions Physica B: Condensed Matter, vol. 470-471, pp. 50–52 (год публикации - 2015)
10.1016/j.physb.2015.04.021

19. V.V. Chaban and O.V. Prezhdo Structure and energetics of graphene oxide isomers: ab initio thermodynamic analysis Nanoscale, vol. 7, pp. 17055-17062 (год публикации - 2015)
10.1039/C5NR04647E

20. Pavel S. Rukin, Alexandra Ya. Freidzon, Andrei V. Scherbinin, Vyacheslav A. Sazhnikov, Alexander A. Bagaturyants, and Michael V. Alfimov Vibronic bandshape of the absorption spectra of dibenzoylmethanatoboron difluoride derivatives: analysis based on ab initio calculations Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 17, pp. 16997-17006 (год публикации - 2015)
10.1039/c5cp02085a

21. A.A. Safonov, A.A. Bagaturyants, and V.A. Sazhnikov Fluorescence Spectra of (Dibenzoylmethanato)boron Difluoride Exciplexes with Aromatic Hydrocarbons: A Theoretical Study The Journal of Physical Chemistry A, vol. 119, pp. 8182-8187 (год публикации - 2015)
10.1021/acs.jpca.5b03519

22. V.V. Chaban, E.E. Fileti, and O.V. Prezhdo Buckybomb: Reactive Molecular Dynamics Simulation; Nanoscale explosives; The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 6, pp. 913-917 (год публикации - 2015)
10.1021/acs.jpclett.5b00120

23. Alexandra Yakovlevna Freidzon, Andrey Safonov, and Alexander A. Bagaturyants Theoretical Study of the Spectral and Charge-Transport Parameters of an Electron-Transporting Material Bis(10-hydroxybenzo[h]qinolinato)beryllium (Bebq2) The Journal of Physical Chemistry C (год публикации - 2015)
10.1021/acs.jpcc.5b08239

24. E. Heifets, E.A. Kotomin, A.A. Bagaturyants, and J. Maier Ab Initio Study of BiFeO3: Thermodynamic Stability Conditions The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 6, pp. 2847-2851 (год публикации - 2015)
10.1021/acs.jpclett.5b01071

25. Кузовков В.Н., Попов А.И., Котомин Е.А., Москина А.М., Васильченко Е., Лущик А. Theoretical analysis of the kinetics of low-temperature defect recombination in alkali halide crystals Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur, v. 42, No. 7, pp. 748–755 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4959018

26. Арригони М., Бьорхейм Т.С., Котомин Е., Майер Й. First principles study of confinement effects for oxygen vacancies in BaZrO 3 (001) ultra-thin films Physical Chemistry Chemical Physics, V. 18, Pp. 9902-9908 (год публикации - 2016)
10.1039/C6CP00830E

27. T.S. Bjørheim, E.A. Kotomin, and J. Maier Hydration entropy of BaZrO3 from first principles phonon calculations Journal of Materials Chemistry A, vol. 3, pp. 7639–7648 (год публикации - 2015)
10.1039/c4ta06880g

28. Масунов А., Уайт Е., Васу С.С. Chemical Reaction CO+OH → CO 2 +H Autocatalyzed by Carbon Dioxide: Quantum Chemical Study of the Potential Energy Surfaces Journal of Physical Chemistry A, V. 120, Pp. 6023−6028 (год публикации - 2016)
10.1021/acs.jpca.6b03242

29. Багатурьянц А.А., Венер М.В., Одиноков А.В. Монография "Atomistic Multiscale Simulation of Nanostructured Materials for Photonic Applications" предисловие Pan Stanford Publishing; Singapore (год публикации - 2016)

Публикации