Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68650210.31857/S0207401X25060029СТРОЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, КВАНТОВАЯ ХИМИЯ, СПЕКТРОСКОПИЯСтроение химических соединений, квантовая химия, спектроскопияResearch ArticleExciton Binding Energies in Biphenyl Derivatives with Ferrocenyl and Fluorine-Containing Germyl SubstituentsЭнергии связи экситона в производных бифенила с ферроценильными и фторсодержащими гермильными заместителямиAlyoshinD. A.АлёшинД. А.
Russian Federation
aleshindan2@gmail.comErmolaevN. L.ЕрмолаевН. Л.
Russian Federation
aleshindan2@gmail.comPanteleevS. V.ПантелеевС. В.
Russian Federation
aleshindan2@gmail.comSuleymanovE. V.СулеймановЕ. В.
Russian Federation
aleshindan2@gmail.comIgnatovS. K.ИгнатовС. К.
Russian Federation
aleshindan2@gmail.comLobachevsky Nizhny Novgorod State UniversityНациональный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского0406202544630420107202501072025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/686502

To increase the efficiency of organic photovoltaic devices, it is necessary to search for new promising compounds that provide efficient charge separation during absorption in the optical region of the spectrum. As such compounds, biphenyl derivatives with ferrocenyl and fluorine-containing germyl substituents have been studied in the present work. The DFT and TD-DFT methods (B3LYP, CAM-B3LYP, PBE0, wB97XD) have been used to study the structures and energies of excited states of these derivates and to estimate the exciton binding energies in materials based on them in vacuum and condensed matter. For a number of compounds, the obtained exciton binding energies are close to zero, and in a separate case even less than zero, which demonstrates the prospect of their synthesis and use.

Для повышения КПД органических фотовольтаических устройств необходим поиск новых перспективных соединений, обеспечивающих эффективное разделение зарядов при поглощении в оптической области спектра. В качестве таких соединений в настоящей работе исследованы производные бифенила с ферроценильными и фторсодержащими гермильными заместителями. Методами DFT и TD-DFT (B3LYP, CAM-B3LYP, PBE0, wB97XD) исследованы структуры и энергии возбужденных состояний этих производных и оценены энергии связи экситона в материалах на их основе в вакууме и конденсированной среде. Для ряда соединений полученные значения энергий связи экситона близки к нулю, а в отдельном случае даже меньше нуля, что указывает на перспективность их синтеза и использования.

ferrocenegermaniumDFTphotoinduced transitionexcitonphotovoltaicsorganic solar cellsферроценгерманийDFTфотоиндуцированный переходэкситонфотовольтаикаорганические солнечные элементыМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian FederationFSWR-2023-0024Milichko V.A., Shalin A.S., Mukhin I.S. et al. // Usp. Fiz. Nauk. 2016. V. 186. № 8. P. 801. https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.02.037703Миличко В.А., Шалин А.С., Мухин И.С. и др. // Успехи физ. наук. 2016. Т. 186. № 8. С. 801. https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.02.037703Scharber M.C. // Adv. Mater. 2016. V. 28. № 10. P. 1994. https://doi.org/10.1002/adma.201504914Hou J., Inganäs O., Friend R.H. et al. // Nat. Mater. 2018. V. 17. № 2. P. 119. https://doi.org/10.1038/nmat5063Hou J., Inganäs O., Friend R.H., Gao F. // Nat. Mater. 2018. V. 17. № 2. P. 119. https://doi.org/10.1038/nmat5063Zhang G., Lin F.R., Qi F. et al. // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 18. P. 14180. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00955Price M.B., Hume P.A., Ilina A. et al. // Nat. Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 2827. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30127-8Zhang X.-X., Yu X.-F., Xiao B. // J. Phys. Chem. A. 2023. V. 127. № 44. P. 9291. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.3c06000Solak E.K., Irmak E. // RSC Adv. 2023. V. 13. № 18. P. 12244. https://doi.org/10.1039/D3RA01454AAl-Taher A.H., Al-Badry L.F., Semiromi E.H. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2021. V. 15. № S1. P. S1. https://doi.org/10.1134/S1990793121090025Yu Q.-C., Fu W.-F., Wan J.-H. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. № 8. P. 5798. https://doi.org/10.1021/am5006223Brédas J.-L., Norton J.E., Cornil J. et al. // Acc. Chem. Res. 2009. V. 42. № 11. P. 1691. https://doi.org/10.1021/ar900099hLemaur V., Steel M., Beljonne D. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2005. V. 127. № 16. P. 6077. https://doi.org/10.1021/ja042390lKaake L.G., Jasieniak J.J., Bakus R.C. et al. // Ibid. 2012. V. 134. № 48. P. 19828. https://doi.org/10.1021/ja308949mVandewal K., Mertens S., Benduhn J., Liu Q. // J. Phys. Chem. Lett. 2020. V. 11. № 1. P. 129. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b02719Vandewal K., Mertens S., Benduhn J. et al. // J. Phys. Chem. Lett. 2020. V. 11. № 1. P. 129. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b02719Lukin L.V. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. № 6. P. 1300. https://doi.org/10.1134/S1990793123060180Лукин Л.В. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 12. С. 54. https://doi.org/10.31857/S0207401X23120075Kronik L., Neaton J.B. // Annu. Rev. Phys. Chem. 2016. V. 67. № 1. P. 587. https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-040214- 121351Dimitriev O.P. // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 9. P. 8487. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00648Gorokhov V.V., Knox P.P., Korvatovsky B.N. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. № 3. P. 571. https://doi.org/10.1134/S199079312303020XГорохов В.В., Нокс П.П., Корватовский Б.Н. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 6. С. 63. https://doi.org/10.31857/S0207401X23060055Cherepanov D.A., Milanovsky G.E., Aybush A.V. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. № 3. P. 584. https://doi.org/10.1134/S1990793123030181Черепанов Д.А., Милановский Г.Е., Айбуш А.В. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 6. С. 77. https://doi.org/10.31857/S0207401X23060031Bazlov S.V., Feskov S.V., Ivanov A.I. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2017. V. 11. № 2. P. 242. https://doi.org/10.1134/S1990793117020026Базлов С.В., Феськов С.В., Иванов А.И. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 3. С. 39. https://doi.org/10.7868/S0207401X17030025Cherepanov D.A., Milanovsky G.E., Nadtochenko V.A. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. № 3. P. 594. https://doi.org/10.1134/S1990793123030193Черепанов Д.А., Милановский Г.Е., Надточенко В.А. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 6. С. 88. https://doi.org/10.31857/S0207401X23060043Ermolaev N.L., Lenin I.V., Fukin G.K. et al. // J. Organomet. Chem. 2015. V. 797. P. 83. https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2015.07.027Ermolaev N.L., Fukin G.K., Shavyrin A.S. et al. // Ibid. 2023. V. 983. P. 122535. https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2022.122535Chuhmanov E.P., Ermolaev N.L., Plakhutin B.N., Ignatov S.K. // Comput. Theor. Chem. 2018. V. 1123. P. 50. https://doi.org/10.1016/j.comptc.2017.11.007Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas Ö., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Gaussian 09, Revision A.01. Wallingford CT: Gaussian Inc., 2009.Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas Ö., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Gaussian 09, Revision A.01. Wallingford, CT: Gaussian, Inc., 2009.Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. // Chem. Rev. 2005. V. 105. № 8. P. 2999. https://doi.org/10.1021/cr9904009Lu T., Chen F. // J. Comput. Chem. 2012. V. 33. № 5. P. 580. https://doi.org/10.1002/jcc.22885Gregg B.A. // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107. № 20. P. 4688. https://doi.org/10.1021/jp022507xHains A.W., Liang Z., Woodhouse M.A. et al. // Chem. Rev. 2010. V. 110. № 11. P. 6689. https://doi.org/10.1021/cr9002984Sun H., Hu Z., Zhong C. et al. // J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. № 15. P. 8048. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b01975Benatto L., Koehler M. // Ibid. 2019. V. 123. № 11. P. 6395. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b12261Zhu L., Yi Y., Wei Z. // Ibid. 2018. V. 122. № 39. P. 22309. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b07197Zhu L., Yi Y., Wei Z. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 39. P. 22309. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b07197Bredas J.-L. // Mater. Horiz. 2014. V. 1. № 1. P. 17. https://doi.org/10.1039/C3MH00098BZhu L., Zhang J., Guo Y. et al. // Angew. Chem. 2021. V. 133. № 28. P. 15476. https://doi.org/10.1002/ange.202105156