Zeitabhängige Beschreibung des Ladungstransports in molekularen Drähten: Bottom-up-Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Elstner; Professor Dr. Thomas Frauenheim; Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260747833

Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung einer neuen umfassenden Multiskalenstrategie zur zeitabhängigen Beschreibung des Ladungstransportes in linearen molekularen Drähten. Diese Systeme stellen eine besondere Herausforderung für Simulationstechniken dar, da der Mechanismus des Ladungstransports abhängig von der Kettenlänge ist. Experimentell wurden sowohl kohärentes adiabatisches Landauer-Typ Tunneln als auch nichtadiabatisches inkohärentes Marcus-Hopping für unterschiedliche Längen nachgewiesen. Eine konsistente Theorie muss daher in der der Lage sein, die Übergänge im Transportregime in Abhängigkeit von Kettenlänge, von thermischen Fluktuationen und Umgebungseinflüssen zu beschreiben. In diesem Projekt sollen daher sowohl Methoden der Quantendynamik, die auf einer coarse grained Beschreibung der Elektronenstruktur basieren und die Umgebungseffekte über QM/MM-Kopplungen berücksichtigen, als auch stationäre Nichtgleichgewichts-Greens Funktionen (NEGF) Transportrechnungen unter offenen Randbedingungen weiterentwickelt und auf relevante Modellsysteme angewendet werden. Die grundlegenden Techniken wurden im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes SPP 1243 Quanten-Transport auf molekularer Ebene eingeführt und sollen in diesem Projekt zur Beschreibung von organischen Drähten zwischen Metallkontakten weiterentwickelt und kombiniert werden, um eine quantitative Beschreibung des Ladungstransports in diesen komplexen Systemen über das gesamte Landauer-Marcus Kontinuum zu ermöglichen.Die entwickelten Techniken werden auf organische lineare Ketten bzw. Drähte mit der folgenden Charakteristik angewandt: Die Systeme sollen technologisch hochrelevant, experimentell zugänglich und reproduzierbar mit variierender Länge die unterschiedlichen Transportregime repräsentieren. Als relevante Vertreter werden verschiedene Oligomere, z. B Oligo(Arylen Ethynylen) (OAE) und Oligo(Phenylen Ethynylen) (OPE) Derivate sowie pi-gestapelte Strukturen wie DNA als auch helikale Peptide, an denen kürzlich Ladungstransportexperimente durchgeführt wurden, in die Untersuchungen einbezogen. Die Herausforderung besteht darin, die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Transportregimen quantitativ nachzuweisen, die zugrunde liegenden Mechanismen zu identifizieren und mögliche Anwendungen zu diskutieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen