2021 Fiscal Year Research-status Report
The development of ab initio method for applications to organic optoelectronic materials
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19K05255
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
藤田 貴敏 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 主幹研究員 (70767970)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | GW近似 / Bethe-Salpeter方程式 / フラグメント分子軌道法 / 励起子 / 有機薄膜太陽電池 / 大規模電子状態計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請では、大規模電子状態計算手法のフラグメント分子軌道(FMO)法の枠組みでGW/Bethe-Salpeter equation法を実装することにより、有機半導体材料の電子励起状態計算に関する革新的手法を提案する。応用計算の対象として太陽電池や発光材料などデバイスとして期待されている系を選ぶ。電荷分離・電荷再結合や励起子緩和過程などの、デバイス性能に関わる素過程を解析するための理論基盤を確立する。
昨年度までの研究によりFMO-GW法及びFMO-GW/BSE法の理論開発・プログラム開発を行い、1,000原子を超える系に適用可能な計算手法を実装した。しかし、FMO-GW法の精度には改善の余地があることがわかり、全系の分極関数のフラグメント分割近似に問題があることがわかった。そこで本年度はフラグメント分割近似の再考を行った。様々なベンチマーク計算を行った結果、これまでのフラグメントモノマーの寄与だけでなく、フラグメントペアの寄与も考慮することにより、計算精度が大幅に改善することがわかった。具体的には、フラグメント近似を用いずに計算した準粒子エネルギーや励起エネルギーを0.1eV以下の精度で再現できることがわかった。また、計算精度と計算時間の妥協として、GW準粒子エネルギーを計算するフラグメントを含んだペアの寄与のみを考慮する近似が有効だとわかった。本年度の研究により有機半導体材料の荷電状態やエネルギー準位を高精度で予測するための計算手法を確立することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はFMO-GW法、FMO-GW/BSE法の開発とプログラム整備とその応用計算に着手した。理論開発・プログラム整備の面では、FMO-GW法における分極関数のフラグメント分割近似を系統的に改善できる手法を提案しプログラム実装を行った。また、応用計算の面でも有機薄膜太陽電池のP3HT/PCBM系の構造作成および電子状態計算と有機発光材料の電子状態計算を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は今年度に行った応用計算に引き続き注力していく予定である。さらに、新しい理論開発の方向性として、FMO-GW/BSE法と２体波束法を組み合わせた励起子の実時間発展法や、教師なし機械学習との併用について検討する。
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| Causes of Carryover |
今年度は新型コロナの影響により、参加を予定していた国際学会が中止になったため、予定していた出張を行わなかった。また、参加を予定していた国内学会はweb参加したため、計上していた旅費交通費を執行しなかった。繰り越し予算は次年度の出張や書籍購入にあてる予定である。
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