Influence of acceptor tethering on the performance of nonlinear optical properties for pyrene-based materials with A-π-D-π-D architecture

• DOI: 10.1016/j.arabjc.2021.103673
• Publication Date: 2022-01-03T17:33:10Z
• Authors: Muhammad Usman Khan; Muhammad Khalid; Rasheed Ahmad Khera; Muhammad Nadeem A...; Amna Abbas; Muhammad Fayyaz u...; Ataualpa Albert C...; Mohammed Mujahid ...; Muhammad Imran; Yao Wang; Changrui Lu
• Keywords: Computational chemistry; Nonlinear Optical Materials and Properties; Photochemistry; Materials Science; Organic chemistry; NLO; DFT; Quantum mechanics; 01 natural sciences; Acceptor; Nonlinear optical; Inorganic Chemistry; Nonlinear Optical Materials; Chromophore; Absorption spectroscopy; FOS: Chemical sciences; NBO; Natural bond orbital; FMO; QD1-999; Pyrene; Physics; Molecule; Molecular orbital; Optics; Condensed matter physics; Electronic, Optical and Magnetic Materials; Chemical Crystallography; 0104 chemical sciences; Chemistry; Absorption (acoustics); Physical Sciences; Density functional theory; Nonlinear system

في هذه الدراسة، صممنا سلسلة من مركبات مستقبلات المانح π - المانح π المستندة إلى البيرين (HPTC1 - HPTC7) عن طريق الخياطة الهيكلية للمركب المرجعي (HPTC) باستخدام الوحدات المستقبلة. تم حساب الخصائص البصرية غير الخطية (NLO)، والمدارات الجزيئية الحدودية (FMOs)، والربط الطبيعي المداري (NBO)، وتحليل كثافة الانتقال المصفوفية (TDM)، وأطياف الامتصاص المرجعية والمشتقات المقترحة عند M06/6-31 G (d،p) الوظيفية. تحتوي جميع المركبات المصممة على فجوات نطاق طاقة أصغر من مركب HPTC. علاوة على ذلك، أظهرت المركبات المصممة قيم نعومة عالمية أكبر من المرجع. يتم إزاحة الحد الأقصى لامتصاص HPTC2 و HPTC3 و HPTC7 باللون الأزرق فيما يتعلق بـ HPTC. كشف تحليل البنك الوطني العماني أن الارتباطات المترافقة المفرطة المطولة والتفاعلات القوية بين الأجزاء المانحة (π) والمتقبلة (π*) تلعب دورًا حاسمًا في استقرارها. دعمت نتائج FMO و NBO استجابات NLO للمركبات المستحقة، وبالتالي، ترتفع الخصائص الخطية وغير الخطية للمشتقات المصممة مقارنة بالجزيء المرجعي. من الواعد أن استجابة المرصد الوطني للعمل لـ HPTC7 تتكون من أعلى قيم <α> و βtotal و < γ > مثل 1.92 × 10−22 esu و 1.95 × 10−27 esu و 4.69 × 107 (a.u). يُظهر سلوك NLO هذا كروموفورات NLO للدفع والسحب لـ HPTC7 تتنبأ بدورها في متابعة مواد NLO للتطبيقات الإلكترونية الضوئية.<br/>Dans cette étude, nous avons conçu une série de composés donneurs-π-donneurs-π-accepteurs à base de pyrène (HPTC1-HPTC7) en adaptant structurellement le composé de référence (HPTC) à l'aide d'unités acceptrices. Les propriétés optiques non linéaires (NLO), les orbitales moléculaires frontières (FMO), l'orbitale de liaison naturelle (NBO), l'analyse matricielle de densité de transition (TDM) et les spectres d'absorption des dérivés de référence et proposés ont été calculés à M06/6-31G (d,p) fonctionnelle. Tous les composés conçus ont des bandes d'énergie plus petites que le composé HPTC. De plus, les composés conçus présentaient des valeurs de douceur globale plus importantes que la référence. Les maxima d'absorption de HPTC2, HPTC3 et HPTC7 sont décalés en bleu par rapport à HPTC. L'analyse NBO a révélé que les associations hyper conjugatives prolongées et les interactions fortes entre les fractions donneur (π) et accepteur (π*) jouent un rôle crucial dans leur stabilisation. Les résultats FMO et NBO ont soutenu les réponses NLO des composés autorisés, et par conséquent, les propriétés linéaires et non linéaires des dérivés conçus s'élèvent par rapport à la molécule de référence. De manière prometteuse, la réponse NLO pour HPTC7 comprend les valeurs les plus élevées de <α>, βtotal et < γ > comme 1,92 × 10−22 esu, 1,95 × 10−27 esu et 4,69 × 107 (a.u). Ce comportement NLO montre des chromophores NLO push–pull pour HPTC7 prédisant son rôle dans la recherche de matériaux NLO pour des applications optoélectroniques.<br/>En este estudio, diseñamos una serie de compuestos donantes-π-donantes-π-aceptores a base de pireno (HPTC1-HPTC7) mediante la adaptación estructural del compuesto de referencia (HPTC) utilizando unidades aceptoras. Las propiedades ópticas no lineales (nlo), los orbitales moleculares de frontera (FMO), el orbital de enlace natural (NBO), el análisis matricial de densidad de transición (TDM) y los espectros de absorción de referencia y los derivados propuestos se calcularon en M06/6-31G (d,p) funcional. Todos los compuestos diseñados tienen brechas de banda de energía más pequeñas que el compuesto HPTC. Además, los compuestos diseñados exhibieron mayores valores de suavidad global que la referencia. Los máximos de absorción de HPTC2, HPTC3 y HPTC7 se desplazan hacia el azul con respecto a HPTC. El análisis de NBO reveló que las asociaciones hiperconjugativas prolongadas y las fuertes interacciones entre los restos donante (π) y aceptor (π*) desempeñan un papel crucial en su estabilización. Los hallazgos de FMO y NBO respaldaron las respuestas nlo de los compuestos titulados y, en consecuencia, las propiedades lineales y no lineales de los derivados diseñados se elevan en comparación con la molécula de referencia. De manera prometedora, la respuesta nlo para HPTC7 comprende los valores más altos de <α>, βtotal y < γ > como 1.92 × 10−22 esu, 1.95 × 10−27 esu y 4.69 × 107 (a.u). Este comportamiento nlo muestra cromóforos nlo push–pull para HPTC7 que predicen su papel en la búsqueda de materiales nlo para aplicaciones optoelectrónicas.<br/>In this study, we designed a series of pyrene-based donor-π-donor-π-acceptor compounds (HPTC1-HPTC7) by structural tailoring the reference compound (HPTC) using acceptor units. Nonlinear optical (NLO) properties, frontier molecular orbitals (FMOs), natural bonding orbital (NBO), transition density matric (TDM) analysis, and absorption spectra of reference and proposed derivatives were calculated at M06/6-31G(d,p) functional. All the designed compounds have smaller energy bandgaps than the HPTC compound. Moreover, the designed compounds exhibited larger global softness values than the reference. The absorption maxima of HPTC2, HPTC3, and HPTC7 are blue shifted with respect to HPTC. NBO analysis revealed that prolonged hyper conjugative associations and strong interactions between the donor (π) and acceptor (π*) moieties play a crucial part in their stabilization. The FMO and NBO findings supported the NLO responses of entitled compounds, and consequently, the linear and nonlinear properties of designed derivatives elevate compared to the reference molecule. Promisingly, the NLO response for HPTC7 comprises of highest values of <α>, βtotal and < γ > as 1.92 × 10−22 esu, 1.95 × 10−27 esu, and 4.69 × 107 (a.u). This NLO behavior shows push–pull NLO chromophores for HPTC7 predicting its role in pursuing NLO materials for optoelectronic applications.<br/>