Quantenchemische Beschreibung lichtinduzierter Prozesse unter Berücksichtigung
von Umgebungseffekten

Projektleiter:

Bernd Engels und Reinhold Fink
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Am Hubland, 97074 Würzburg

Telefon: +49 931 31- 85394
E-Mail: bernd@chemie.uni-wuerzburg.de

URL: http://www.phys-chemie.uni-wuerzburg.de/arbeitsgruppen/engels/startseite/

Wichtige funktionelle Eigenschaften organischer Materialien werden durch lichtinduzierte Exzitonen- und Ladungstransferprozesse bestimmt. Die Effizienz dieser Prozesse hängt wesentlich von den intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Chromophoren und anderen Molekülen in deren Umgebung ab, aus denen das Material aufgebaut ist. Dieses komplexe Zusammenspiel von interchromophoren Wechselwirkungen und Umgebungseinflüssen muss für eine korrekte Vorhersage der Transferprozesse genau erfasst werden. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung und Verbesserung von hierfür geeigneten Methoden und ihre Anwendung auf die in der Forschergruppe experimentell untersuchten Materialsysteme. Dabei werden die Wechselwirkungen zunächst auf atomarer Ebene berechnet, sodass ihr Einfluss auf die lichtinduzierte Dynamik simuliert werden kann. Da Umgebungseffekte berücksichtigt werden, ist auch eine Behandlung dissipativer Effekte möglich. Die so erhaltenen Erkenntnisse werden in einem zweiten Schritt mit Hilfe von Parametern auf Verfahren übertragen, die die Berechnung der Transferprozesse auf größeren Längenskalen ermöglichen.

Die hierdurch erarbeiteten Daten werden zur Interpretation der in der Forschergruppe durchgeführten Experimente beitragen. Durch die Kooperation zwischen dem vorliegenden Projekt und den experimentellen Gruppen werden so neue Modelle entwickelt, die ein Verständnis der verschiedenen Transportphänomene auf molekularer Ebene liefern. Dieses beinhaltet Effekte, die Transportprozesse behindern und so die funktionellen Eigenschaften der Materialien negativ beeinflussen (Trapping-Effekte). Die sich ergebenden Einblicke in Beziehungen zwischen der molekularen Struktur und den Eigenschaften der Materialien werden genutzt werden, um modifizierte Materialien mit verbesserten Eigenschaften vorzuschlagen. Eine Verifizierung dieser Vorhersagen geschieht dann wiederum in Kooperation mit den experimentellen Gruppen.

Die molekulare Grundlage des Energie- und Ladungstransfers soll durch genaue Berechnungen an kleinen Aggregaten (Dimere bis Tetramere) untersucht werden, wobei der Einfluss der Umgebung (Lösungsmittel, Bulk, Grenzfläche) explizit berücksichtigt wird. Hierbei werden sowohl der Einfluss der Umgebung auf die elektronische Struktur der Chromophore als auch der Energie-Transfer vom Chromophor auf die Umgebung (System-Bad-Kopplung) bestimmt. Ein wesentlicher Punkt dieser Untersuchungen ist die Aufklärung möglicher Trapping-Mechanismen. Diese Arbeiten sollen mit Hilfe von QM/MM-Hybridansätzen durchgeführt werden, welche die Aggregate selbst mit quantenchemischen Methoden beschreiben (QM), während der Einfluss der Umgebung durch Kraftfelder (MM) berücksichtigt wird.

Ein weiteres Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Programmpaketes, das die zur Simulation der makroskopischen Exzitonen- und Ladungsträgertransporteigenschaften notwendigen Kopplungsparameter sowohl für den Exzitonen- als auch für den Ladungsträgertransport routinemäßig ermittelt und damit die makroskopischen Transportvorgänge explizit simuliert. Durch die Berücksichtigung neu erkannter Trapping-Mechanismen wird unser Ansatz eine bessere Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erreichen und so zu einem tieferen Verständnis der Eigenschaften und der Entwicklung neuer Materialien beitragen.