Photosensitive nanostrukturierte Materialien: Kombinierte theoretische und experimentelle Untersuchung des ultraschnellen Energie- und Ladungstransfers auf molekularer Ebene

• Antragstellerin: Professorin Dr. Irene Burghardt
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 209000113

Das Projekt untersucht auf molekularer Ebene die photoinduzierte Ladungsbildung in Perylendiimid (PDI) basierten Donor-Akzeptor (DA) Co-Oligomeren, die hochgeordnete lamellare Mesophasen bilden; diese Materialien stellen aussichtsreiche Kandidaten für den Einsatz in der organischen Photovoltaik dar. Solche DA-Systeme bilden die jüngste Generation einer neuen Materialklasse, die spektroskopisch und theoretisch in der ersten Förderperiode dieses Projekts untersucht wurde, und zwar im Rahmen eines gemeinsamen DFG/ANR-Projekts mit der Gruppe um S. Haacke an der Universität Straßburg. In den bisherigen Untersuchungen wurde insbesondere gezeigt, dass die Materialien der ersten Generation eine ultraschnelle Ladungstrennung, aber auch eine hohe Rekombinationsrate aufweisen, was durch ihre spezielle molekulare Packung erklärt werden konnte. Ferner wurde gezeigt, dass die Materialien der zweiten Generation chemisch so variiert werden können, dass sie in Lösung Ladungstransferzustände mit Lebensdauern bis zu einigen Nanosekunden und geringeren Rekombinationsraten aufweisen. In der zweiten Förderperiode des Projekts soll diese neueste Materialgeneration nun in Form hochgeordneter dünner Filme modelliert werden. Ausgehend von bereits vorliegenden 3D-Strukturdaten und derzeit laufenden zeitaufgelösten Spektroskopieexperimenten wollen wir Berechnungen zur elektronischen Struktur und Microelektrostatik sowie Quantendynamik (QD)-, molekulare Dynamik (MD)- und Kinetische Monte Carlo (KMC)-Simulationen miteinander kombinieren, um ein detailliertes Bild beginnend bei der Ladungstrennung bis hin zum Ladungstransport zu zeichnen. Dazu soll mit ab initio Methoden ein Gitter-Hamiltonian parametrisiert werden, in den elektronische Strukturrechnungen geeigneter Fragmente zusammen mit einer microelektrostatischen Analyse eingehen, wobei letztere die lokale Elektrostatik inklusive von Polarisationseffekten beschreibt. Auf diesen Gitter-Hamiltonian greifen sowohl die QD-Simulationen im Femto- bis Picosekundenbereich als auch die KMC-Simulationen im Pico- bis Microsekundenbereich zurück, was eine konsistente Multiskalen-Behandlung ermöglicht. In diesem Kontext werden wir mit der ML-MCTDH (Multi-Layer Multiconfiguration Time-Dependent Hartree) Methode hochdimensionale QD-Simulationen mit mehr als 100 elektronischen Zuständen und Schwingungsmoden durchführen. Dabei wollen wir insbesondere den Einfluss der molekularen Packung auf die Exziton- und Ladungsdelokalisation sowie auf weitere Transferwege studieren. Speziell sollten die PDI-Stapel eine komplexe Photochemie verschiedener Spezies mit Ladungstrennung aufweisen, was die Entstehung und den Transport von Ladungen merklich beeinflussen sollte. Insgesamt erwarten wir von dem hier vorgestellten Verfahren, dass es die Einflüsse der chemischen Zusammensetzung und der molekularen Packung gut genug beschreibt, um daraus Eckpunkte für das rationale Design von DA-Materialien der nächsten Generation ableiten zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stefan Haacke