Organic light emitting diodes based on fluorophores with a propensity for thermally activated delayed fluorescence (TADF) are able to circumvent limitations imposed on device efficiency by spin statistics. Molecules with a propensity for TADF necessarily have two properties: a small gap between the lowest lying singlet and triplet excited states and a large transition dipole moment for fluorescence. In this work, we demonstrate the use of a genetic algorithm to search a region of chemical space for molecules with these properties. This algorithm is based on a flexible and intuitive representation of the molecule as a tree data structure, in which the nodes correspond to molecular fragments. Our implementation takes advantage of hybrid parallel graphics processing unit accelerated computer clusters to allow efficient sampling while retaining a reasonably accurate description of the electronic structure (in this case, CAM-B3LYP/6-31G∗∗). In total, we have identified 3792 promising candidate fluorophores from a chemical space containing 1.26 × 106 molecules. This required performing electronic structure calculations on only 7518 molecules, a small fraction of the full space. Several novel classes of molecules which show promise as fluorophores are presented.

1.
A. C.
Grimsdale
,
K. L.
Chan
,
R. E.
Martin
,
P. G.
Jokisz
, and
A. B.
Holmes
,
Chem. Rev.
109
,
897
(
2009
).
2.
A. R.
Brown
,
D. D. C.
Bradley
,
J. H.
Burroughes
,
R. H.
Friend
,
N. C.
Greenham
,
P. L.
Burn
,
A. B.
Holmes
, and
A.
Kraft
,
Appl. Phys. Lett.
61
,
2793
(
1992
).
3.
M. A.
Baldo
,
S.
Lamansky
,
P. E.
Burrows
,
M. E.
Thompson
, and
S. R.
Forrest
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
4
(
1999
).
4.
C.
Adachi
,
M. A.
Baldo
,
M. E.
Thompson
, and
S. R.
Forrest
,
J. Appl. Phys.
90
,
5048
(
2001
).
5.
D.
Tanaka
,
H.
Sasabe
,
Y. J.
Li
,
S. J.
Su
,
T.
Takeda
, and
J.
Kido
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
46
,
L10
(
2007
).
6.
M. E.
Kondakova
,
T. D.
Pawlik
,
R. H.
Young
,
D. J.
Giesen
,
D. Y.
Kondakov
,
C. T.
Brown
,
J. C.
Deaton
,
J. R.
Lenhard
, and
K. P.
Klubek
,
J. Appl. Phys.
104
,
094501
(
2008
).
7.
N.
Chopra
,
J.
Lee
,
Y.
Zheng
,
S. H.
Eom
,
J. G.
Xue
, and
F.
So
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
143307
(
2008
).
8.
L. X.
Xiao
,
Z. J.
Chen
,
B.
Qu
,
J. X.
Luo
,
S.
Kong
,
Q. H.
Gong
, and
J. J.
Kido
,
Adv. Mater.
23
,
926
(
2011
).
9.
K.
Udagawa
,
H.
Sasabe
,
C.
Cai
, and
J.
Kido
,
Adv. Mater.
26
,
5062
(
2014
).
10.
J. C.
Deaton
,
S. C.
Switalski
,
D. Y.
Kondakov
,
R. H.
Young
,
T. D.
Pawlik
,
D. J.
Giesen
,
S. B.
Harkins
,
A. J. M.
Miller
,
S. F.
Mickenberg
, and
J. C.
Peters
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
9499
(
2010
).
11.
A.
Tsuboyama
,
K.
Kuge
,
M.
Furugori
,
S.
Okada
,
M.
Hoshino
, and
K.
Ueno
,
Inorg. Chem.
46
,
1992
(
2007
).
12.
M.
Hashimoto
,
S.
Igawa
,
M.
Yashima
,
I.
Kawata
,
M.
Hoshino
, and
M.
Osawa
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
10348
(
2011
).
13.
R.
Czerwieniec
,
J. B.
Yu
, and
H.
Yersin
,
Inorg. Chem.
50
,
8293
(
2011
).
14.
R.
Czerwieniec
,
K.
Kowalski
, and
H.
Yersin
,
J. Chem. Soc., Dalton Trans.
42
,
9826
(
2013
).
15.
H.
Uoyama
,
K.
Goushi
,
K.
Shizu
,
H.
Nomura
, and
C.
Adachi
,
Nature
492
,
234
(
2012
).
16.
Q. S.
Zhang
,
J.
Li
,
K.
Shizu
,
S. P.
Huang
,
S.
Hirata
,
H.
Miyazaki
, and
C.
Adachi
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
14706
(
2012
).
17.
G.
Mehes
,
H.
Nomura
,
Q. S.
Zhang
,
T.
Nakagawa
, and
C.
Adachi
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
11311
(
2012
).
18.
J.
Li
,
T.
Nakagawa
,
J.
MacDonald
,
Q. S.
Zhang
,
H.
Nomura
,
H.
Miyazaki
, and
C.
Adachi
,
Adv. Mater.
25
,
3319
(
2013
).
19.
Q. S.
Zhang
,
B.
Li
,
S. P.
Huang
,
H.
Nomura
,
H.
Tanaka
, and
C.
Adachi
,
Nat. Photonics
8
,
326
(
2014
).
20.
H.
Nakanotani
,
T.
Higuchi
,
T.
Furukawa
,
K.
Masui
,
K.
Morimoto
,
M.
Numata
,
H.
Tanaka
,
Y.
Sagara
,
T.
Yasuda
, and
C.
Adachi
,
Nat. Commun.
5
,
4016
(
2014
).
21.
Y. J.
Cho
,
K. S.
Yook
, and
J. Y.
Lee
,
Adv. Mater.
26
,
4050
(
2014
).
22.
F. B.
Dias
,
K. N.
Bourdakos
,
V.
Jankus
,
K. C.
Moss
,
K. T.
Kamtekar
,
V.
Bhalla
,
J.
Santos
,
M. R.
Bryce
, and
A. P.
Monkman
,
Adv. Mater.
25
,
3707
(
2013
).
23.
S.
Difley
,
D.
Beljonne
, and
T.
Van Voorhis
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
3420
(
2008
).
24.
Z.
Shuai
,
D.
Beljonne
,
R. J.
Silbey
, and
J. L.
Bredas
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
131
(
2000
).
25.
T.
Fink
and
J. L.
Reymond
,
J. Chem. Inf. Model.
47
,
342
(
2007
).
26.
J.
Hachmann
,
R.
Olivares-Amaya
,
S.
Atahan-Evrenk
,
C.
Amador-Bedolla
,
R. S.
Sanchez-Carrera
,
A.
Gold-Parker
,
L.
Vogt
,
A. M.
Brockway
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
2241
(
2011
).
27.
N.
Martsinovich
and
A.
Troisi
,
J. Phys. Chem. C
115
,
11781
(
2011
).
28.
N. M.
O’Boyle
,
C. M.
Campbell
, and
G. R.
Hutchison
,
J. Phys. Chem. C
115
,
16200
(
2011
).
29.
A. N.
Sokolov
,
S.
Atahan-Evrenk
,
R.
Mondal
,
H. B.
Akkerman
,
R. S.
Sanchez-Carrera
,
S.
Granados-Focil
,
J.
Schrier
,
S. C. B.
Mannsfeld
,
A. P.
Zoombelt
,
Z. N.
Bao
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Nat. Commun.
2
,
437
(
2011
).
30.
D. Q.
Xiao
,
L. A.
Martini
,
R. C.
Snoeberger
,
R. H.
Crabtree
, and
V. S.
Batista
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
9014
(
2011
).
31.
I. Y.
Kanal
,
S. G.
Owens
,
J. S.
Bechtel
, and
G. R.
Hutchison
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1613
(
2013
).
32.
J.
Hachmann
,
R.
Olivares-Amaya
,
A.
Jinich
,
A. L.
Appleton
,
M. A.
Blood-Forsythe
,
L. R.
Seress
,
C.
Roman-Salgado
,
K.
Trepte
,
S.
Atahan-Evrenk
,
S.
Er
,
S.
Shrestha
,
R.
Mondal
,
A.
Sokolov
,
Z. A.
Bao
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Energy Environ. Sci.
7
,
698
(
2014
).
33.
K. B.
Ornso
,
C. S.
Pedersen
,
J. M.
Garcia-Lastra
, and
K. S.
Thygesen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
16246
(
2014
).
34.
I. E.
Castelli
,
T.
Olsen
,
S.
Datta
,
D. D.
Landis
,
S.
Dahl
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Energy Environ. Sci.
5
,
5814
(
2012
).
35.
I. E.
Castelli
,
D. D.
Landis
,
K. S.
Thygesen
,
S.
Dahl
,
I.
Chorkendorff
,
T. F.
Jaramillo
, and
K. W.
Jacobsen
,
Energy Environ. Sci.
5
,
9034
(
2012
).
36.
L. P.
Yu
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
068701
(
2012
).
37.
J.
Greeley
,
T. F.
Jaramillo
,
J.
Bonde
,
I. B.
Chorkendorff
, and
J. K.
Norskov
,
Nat. Mater.
5
,
909
(
2006
).
38.
Y. B.
Wu
,
P.
Lazic
,
G.
Hautier
,
K.
Persson
, and
G.
Ceder
,
Energy Environ. Sci.
6
,
157
(
2013
).
39.
Y. B.
Wu
and
G.
Ceder
,
J. Phys. Chem. C
117
,
24710
(
2013
).
40.
J.
Kim
,
R. L.
Martin
,
O.
Rubel
,
M.
Haranczyk
, and
B.
Smit
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
1684
(
2012
).
41.
R. L.
Martin
,
T. F.
Willems
,
L. C.
Lin
,
J.
Kim
,
J. A.
Swisher
,
B.
Smit
, and
M.
Haranczyk
,
ChemPhysChem
13
,
3595
(
2012
).
42.
B. J.
Sikora
,
C. E.
Wilmer
,
M. L.
Greenfield
, and
R. Q.
Snurr
,
Chem. Sci.
3
,
2217
(
2012
).
43.
C. E.
Wilmer
,
M.
Leaf
,
C. Y.
Lee
,
O. K.
Farha
,
B. G.
Hauser
,
J. T.
Hupp
, and
R. Q.
Snurr
,
Nat. Chem.
4
,
83
(
2012
).
44.
R. L.
Martin
,
L. C.
Lin
,
K.
Jariwala
,
B.
Smit
, and
M.
Haranczyk
,
J. Phys. Chem. C
117
,
12159
(
2013
).
45.
Y. J.
Colon
and
R. Q.
Snurr
,
Chem. Soc. Rev.
43
,
5735
(
2014
).
46.
R. L.
Martin
,
C. M.
Simon
,
B.
Smit
, and
M.
Haranczyk
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
5006
(
2014
).
47.
R.
Krishna
and
J. R.
Long
,
J. Phys. Chem. C
115
,
12941
(
2011
).
48.
R.
Krishna
and
J. M.
van Baten
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
10593
(
2011
).
49.
A.
Franceschetti
and
A.
Zunger
,
Nature
402
,
60
(
1999
).
50.
R.
Drautz
,
A.
Diaz-Ortiz
,
M.
Fahnle
, and
H.
Dosch
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
067202
(
2004
).
51.
N. L.
Abraham
and
M. I. J.
Probert
,
Phys. Rev. B
73
,
224104
(
2006
).
52.
T.
Bligaard
,
M. P.
Andersson
,
K. W.
Jacobsen
,
H. L.
Skriver
,
C. H.
Christensen
, and
J. K.
Norskov
,
MRS Bull.
31
,
986
(
2006
).
53.
M.
d’Avezac
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
78
,
064102
(
2008
).
54.
Y.
Yao
,
J. S.
Tse
, and
K.
Tanaka
,
Phys. Rev. B
77
,
052103
(
2008
).
55.
G.
Ceder
,
Y. M.
Chiang
,
D. R.
Sadoway
,
M. K.
Aydinol
,
Y. I.
Jang
, and
B.
Huang
,
Nature
392
,
694
(
1998
).
56.
G.
Hautier
,
A.
Jain
,
H. L.
Chen
,
C.
Moore
,
S. P.
Ong
, and
G.
Ceder
,
J. Mater. Chem.
21
,
17147
(
2011
).
57.
G.
Hautier
,
A.
Jain
,
S. P.
Ong
,
B.
Kang
,
C.
Moore
,
R.
Doe
, and
G.
Ceder
,
Chem. Mater.
23
,
3495
(
2011
).
58.
T.
Mueller
,
G.
Hautier
,
A.
Jain
, and
G.
Ceder
,
Chem. Mater.
23
,
3854
(
2011
).
59.
S. E.
Burkhardt
,
M. A.
Lowe
,
S.
Conte
,
W. D.
Zhou
,
H. L.
Qian
,
G. G.
Rodriguez-Calero
,
J.
Gao
,
R. G.
Hennig
, and
H. D.
Abruna
,
Energy Environ. Sci.
5
,
7176
(
2012
).
60.
K. S.
Yang
,
W.
Setyawan
,
S. D.
Wang
,
M. B.
Nardelli
, and
S.
Curtarolo
,
Nat. Mater.
11
,
614
(
2012
).
61.
A. M.
Virshup
,
J.
Contreras-Garcia
,
P.
Wipf
,
W. T.
Yang
, and
D. N.
Beratan
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
7296
(
2013
).
62.
O. A.
von Lilienfeld
,
R. D.
Lins
, and
U.
Rothlisberger
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
153002
(
2005
).
63.
O. A.
von Lilienfeld
and
M. E.
Tuckerman
,
J. Chem. Theory Comput.
3
,
1083
(
2007
).
64.
X. Q.
Hu
,
D. N.
Beratan
, and
W. T.
Yang
,
J. Chem. Phys.
129
,
064102
(
2008
).
65.
X. Q.
Hu
,
D. N.
Beratan
, and
W. T.
Yang
,
J. Chem. Phys.
131
,
154117
(
2009
).
66.
O. A.
von Lilienfeld
,
Int. J. Quantum Chem.
113
,
1676
(
2013
).
67.
G.
Montavon
,
M.
Rupp
,
V.
Gobre
,
A.
Vazquez-Mayagoitia
,
K.
Hansen
,
A.
Tkatchenko
,
K. R.
Muller
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
New J. Phys.
15
,
095003
(
2013
).
68.
W.
Setyawan
and
S.
Curtarolo
,
Comput. Mater. Sci.
49
,
299
(
2010
).
69.
S. P.
Ong
,
W. D.
Richards
,
A.
Jain
,
G.
Hautier
,
M.
Kocher
,
S.
Cholia
,
D.
Gunter
,
V. L.
Chevrier
,
K. A.
Persson
, and
G.
Ceder
,
Comput. Mater. Sci.
68
,
314
(
2013
).
70.
S.
Maeda
and
K.
Morokuma
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
380
(
2012
).
71.
P. M.
Zimmerman
,
J. Comput. Chem.
34
,
1385
(
2013
).
72.
D.
Rappoport
,
C. J.
Galvin
,
D. Y.
Zubarev
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
897
(
2014
).
73.
Z. K.
Sun
,
G. A.
Winschel
,
P. M.
Zimmerman
, and
P.
Nagorny
,
Angew. Chem., Int. Ed.
53
,
11194
(
2014
).
74.
L.-P.
Wang
,
A.
Titov
,
R.
McGibbon
,
F.
Liu
,
V. S.
Pande
, and
T. J.
Martinez
,
Nat. Chem.
6
,
1044
(
2014
).
75.
J. H.
Holland
,
Adaptation in Natural and Artificial Systems
(
University of Michigan Press
,
Ann Arbor
,
1975
).
76.
N. L.
Cramer
,
Proceedings of the First International Conference on Genetic Algorithms and Their Applicaitons
(
Lawrence Erlbaum Associates, Inc.
,
1985
).
77.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
78.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
79.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
222
(
2008
).
80.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
1004
(
2009
).
81.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
2619
(
2009
).
82.
C. M.
Isborn
,
N.
Luehr
,
I. S.
Ufimtsev
, and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
1814
(
2011
).
83.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4914294 for the genes that fall on the Pareto optimal frontier, a complete list of the fittest genes from the GA optimizations, and a table of genes thought to be more synthetically accessible.
84.
C.
Tang
,
R.
Bi
,
Y.
Tao
,
F.
Wang
,
X.
Cao
,
S.
Wang
,
T.
Jiang
,
C.
Zhong
,
H.
Zhang
, and
W.
Huang
,
Chem. Commun.
51
,
1650
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.