priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2026-69-5-436-443pribor-529Research ArticleМЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND DEVICES FOR MONITORING AND DIAGNOSTICS OF MATERIALS, PRODUCTS, SUBSTANCES AND THE NATURAL ENVIRONMENTАнализ оптических и электронных свойств пентацена для применения в органических транзисторах и фоторезисторахAnalysis of optical and electronic properties of pentacene for application in organic transistors and photoresistorsНухаХ.NuhaH.

Ханна Нуха — аспирант; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург 

Hanna Nuha — Post-Graduate Student; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg 

hannanuha@yandex.ruТретьяковС. Д.TretyakovS. D.

Сергей Дмитриевич Третьяков — канд. техн. наук, доцент; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург 

Sergey D. Tretyakov — PhD, Associate Professor; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg 

tretiakov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202610062026695436443Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20262026Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/529

Представлены результаты квантово-химического анализа спектральных и электронных характеристик молекулы пентацена — одного из наиболее перспективных органических полупроводников. Расчеты выполнены с использованием метода TD-DFT и программного пакета Gaussian. Проанализированы первые шесть возбужденных состояний пентацена в целях выявления наиболее эффективных фотоактивных переходов. Рассчитаны ключевые параметры, включая энергию возбуждения, длину волны поглощения, силу осциллятора, дипольный момент, вращательную силу, а также энергетический зазор между орбиталями HOMO и LUMO. Показано, что первое возбужденное состояние (S1) характеризуется низкой энергией возбуждения (1,6560 эВ), длиной волны поглощения 748,71 нм (область ближнего ИК-диапазона) и относительно высокой силой осциллятора (0,0375), что свидетельствует об эффективном поглощении ближнего инфракрасного излучения. Возбужденные состояния S2—S6 демонстрируют существенно более слабое поглощение, преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Анализ разрыва HOMO–LUMO указывает на значительную делокализацию электронов и небольшой энергетический зазор, способствующий эффективному переносу заряда. Установлено, что электрический дипольный момент ориентирован преимущественно вдоль оси Y, что может иметь практическое значение для устройств, работающих с поляризованным излучением. В целом полученные результаты подтверждают целесообразность использования пентацена в качестве активного материала для органических фоточувствительных электронных устройств и позволяют определить направления дальнейшей оптимизации, включая контроль ориентации молекул.

Results of a quantum chemical analysis of the spectral and electronic characteristics of a pentacene molecule, one of the most promising organic semiconductors, are presented. The calculations are performed using the TD-DFT method and the Gaussian software package. The first six excited states of pentacene are analyzed in order to identify the most effective photoactive transitions. Key parameters are computed, including the excitation energy, absorption wavelength, oscillator strength, dipole moment, rotational strength, and the energy gap between the HOMO and LUMO orbitals. It is shown that the first excited state (S1) is characterized by a low excitation energy (1.6560 eV), an absorption wavelength of 748.71 nm (near-infrared range), and a relatively high oscillator strength (0.0375), which indicates effective absorption of near-infrared radiation. The excited states S2—S6 exhibit significantly weaker absorption, mainly in the ultraviolet region of the spectrum. Analysis of the HOMO—LUMO gap indicates significant electron delocalization and a small energy gap, contributing to efficient charge transfer. It is established that the electric dipole moment is oriented predominantly along the Y axis, which may be of practical importance for devices operating with polarized radiation. In general, the results obtained confirm the expediency of using pentacene as an active material for organic photosensitive electronic devices and allow to identify areas for further optimization, including control of molecular orientation.

пентаценTD-DFTвозбужденные состоянияэнергия возбужденияOTFTLDRближний ИК-диапазонспектральные свойстваHOMO–LUMO щельорганические полупроводникисила осциллятораpentaceneTD-DFTexcited statesexcitation energyOTFTLDRnear–infrared rangespectral propertiesHOMO–LUMO gaporganic semiconductorsoscillator strengthReferencesCheng Y. J., Yang S. H., Hsu C. S. Synthesis of conjugated polymers for organic solar cell applications // Chem. Rev. 2009. Vol. 109, N 11. P. 5868–5923.Cheng Y.J., Yang S.H., Hsu C.S. Chem. Rev., 2009, no. 11(109), pp. 5868–5923.Cai Z., Aizawa N., Tajima K. Pentacene-based optoelectronic devices: from organic field-effect transistors to light sensors // Adv. Mater. 2016. Vol. 28, N 8. P. 1672–1686.Cai Z., Aizawa N., Tajima K. Adv. Mater., 2016, no. 8(28), pp. 1672–1686.Dimitrakopoulos C. D., Malenfant P. R. L. Organic thin film transistors for large area electronics // Adv. Mater. 2002. Vol. 14, N 2. P. 99–117.Dimitrakopoulos C.D., Malenfant P.R.L. Adv. Mater., 2002, no. 2(14), pp. 99–117.Anthony J. E. Functionalized Acenes and Heteroacenes for Organic Electronics // Chem. Rev. 2006. Vol. 106, N 12. P. 5028–5048.Anthony J.E. Chem. Rev., 2006, no. 12(106), pp. 5028–5048.Nabok D., Gulans A. Accurate description of the electronic structure of organic semiconductors: GW calculations for pentacene // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 95, N 3. P. 035114.Nabok D., Gulans A. Phys. Rev. B, 2017, no. 3(95), pp. 035114.Yamada K., Matsumoto H. Pentacene-based thin-film transistors for organic electronics // Synth. Met. 2009. Vol. 159, N 21-22. P. 2175–2178.Yamada K., Matsumoto H. Synth. Met., 2009, no. 21-22(159), pp. 2175–2178.Frisch M. J. et al. Gaussian 16, Revision C.01. Wallingford, CT: Gaussian, Inc., 2016.Frisch M.J. et al. Gaussian 16, Revision C.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.Runge E., Gross E. K. U. Density-functional theory for time-dependent systems // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 52, N 12. P. 997–1000.Runge E., Gross E.K.U. Phys. Rev. Lett., 1984, no. 12(52), pp. 997–1000.Bredas J.-L., Beljonne D. Charge-Transfer and Energy-Transfer Processes in π-Conjugated Oligomers and Polymers: A Molecular Picture // Chem. Rev. 2002. Vol. 104, N 11. P. 4971–5004.Bredas J.-L., Beljonne D. Chem. Rev., 2002, no. 11(104), pp. 4971–5004.Coropceanu V. et al. Charge transport in organic semiconductors // Chem. Rev. 2007. Vol. 107, N 4. P. 926–952.Coropceanu V. et al. Chem. Rev., 2007, no. 4(107), pp. 926–952.Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle–Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37, N 2. P. 785–789.Lee C., Yang W., Parr R.G., Phys. Rev. B., 1988, no. 2(37), pp. 785–789.Facchetti A. Semiconductors for organic transistors // Mater. Today. 2007. Vol. 10, N 3. P. 28–37.Facchetti A. Mater. Today, 2007, no. 3(10), pp. 28–37.Takimiya K. et al. Organic semiconductors based on [1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene substructure // Acc. Chem. Res. 2014. Vol. 47, N 5. P. 1493–1502.Takimiya K. et al. Acc. Chem. Res., 2014, no. 5(47), pp. 1493–1502.Yamashita Y. Organic semiconductors for organic field-effect transistors // Sci. Tech. Adv. Mater. 2009. Vol. 10, N 2. P. 024313.Yamashita Y. Sci. Tech. Adv. Mater., 2009, no. 2(10), pp. 024313.Roncali J. Conjugated Polymers for Organic Photovoltaic Applications // Chem. Mater. 2007. Vol. 23, N 15. P. 3431– 3448.Roncali J. Chem. Mater., 2007, no. 15(23), pp. 3431–3448.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.