Development and application of real-time simulation methods for dynamic exciton phenomena in molecular aggregates
Publicly Offered Research
| Project Area | Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation |
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| Project/Area Number |
21H05407
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
浦谷 浩輝 早稲田大学, 理工学術院, 助教 (50897296)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 動的エキシトン / ダイナミクス / 量子化学 / シミュレーション / 分子集合体 / 励起状態 / 時間発展 / 非断熱 |
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| Outline of Research at the Start |
分子集合体における励起状態のダイナミクス、すなわち動的エキシトン現象は、有機光電子デバイスの動作機構の根幹をなす。動的エキシトン現象においては、速い自由度と遅い自由度、すなわち電子と原子核のダイナミクスが相互に強く影響し合う。加えて、動的エキシトン現象はしばしばナノスケールの空間的規模を伴う。
本研究では、ナノスケールにおける電子・核ダイナミクスに対する実時間シミュレーションを現実的な計算資源・計算時間で実施可能な手法を開発し、これを実デバイスに即した分子集合体に応用することを目指す。これにより、高い時間的・空間的解像度で動的エキシトン現象を捉え、その基礎学理の確立に資することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度、有機太陽電池をはじめとする分子集合体における励起状態ダイナミクスシミュレーションを実現するための手法の検討を行った。本年度は、その結果を踏まえ、大規模系の電子・構造ダイナミクスを扱える手法であるpatchwork-approximation-based Ehrenfest法を用いることで、実在の有機太陽電池系を模したドナー・アクセプター界面モデルにおける電荷移動ダイナミクスを追跡し、電荷移動を駆動する要因について議論した。
計算においては、ドナー及びアクセプターとしてそれぞれ典型的な化合物であるP3HT及びPCBMに注目し、古典分子動力学法に基づいて構造の乱れを考慮したnmスケールのドナー・アクセプター界面モデルを作成した。レーザーパルスに対応する振動電場により系を電子励起状態とし、これに続く電子・構造ダイナミクスを追跡した。
電子ダイナミクスに加えて構造ダイナミクスを考慮したシミュレーションにおいては、ドナーからアクセプターへの電子移動が観察された。一方、構造ダイナミクスを無視し（構造を固定し）電子ダイナミクスだけを考慮したシミュレーションでは電子移動がほとんど観察されなかった。このことから、ドナーからアクセプターへの電子移動に対し、構造ダイナミクスが重要な役割を果たしていることが示された。
また、アクセプターは多数の分子の集合体から構成されるが、構造の乱れを考慮した本研究のモデルにおいては、特定の分子のみが電子移動に支配的な寄与をする様子が観察された。このことは、実在系におけるドナー・アクセプター間電子移動が、局所的な構造乱れに強く依存したものであることを示唆する。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
