Machine-Learning Guided Quantum Chemical and Molecular Dynamics Calculations to Design Novel Hole-Conducting Organic Materials

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作者
Erin Antono,Nobuyuki Matsuzawa,Julia Ling,James E. Saal,Hideyuki Arai,Masaru Sasago,Eiji Fujii
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:124 (40): 8330-8340 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.0c05769
摘要

Materials exhibiting higher mobilities than conventional organic semiconducting materials such as fullerenes and fused thiophenes are in high demand for applications such as printed electronics, organic solar cells, and image sensors. In order to discover new molecules that might show improved charge mobility, combined density functional theory (DFT) and molecular dynamics (MD) calculations were performed, guided by predictions from machine learning (ML). A ML model was constructed based on 32 values of theoretically calculated hole mobilities for thiophene derivatives, benzodifuran derivatives, a carbazole derivative and a perylene diimide derivative with the maximum value of 10-1.96 cm2/(V s). Sequential learning, also known as active learning, was applied to select compounds on which to perform DFT/MD calculation of hole mobility to simultaneously improve the mobility surrogate model and identify high mobility compounds. By performing 60 cycles of sequential learning with 165 DFT/MD calculations, a molecule having a fused thioacene structure with its calculated hole mobility of 10-1.86 cm2/(V s) was identified. This values is higher than the maximum value of mobility in the initial training data set, showing that an extrapolative discovery could be made with the sequential learning.
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