Multiexzitonen-Dynamik in molekularen Nano-Hybridsystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Tillmann Klamroth
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430670029

Details des Energietransfers in verschiedensten molekularen Systemen aufzuklären, ist von fortdauerndem Interesse. Die technologische Bedeutung von elektronischem Anregungsenergie-Transfer für photovoltaische Zellen und lichtemittierende Dioden ist ein Grund für diese Entwicklung. Ein weiterer Grund sind neuartige Phänomene wie die Anregung von Vielexzitonen-Zuständen, Exzitonen-Spaltung und Vereinigung sowie die Ausbildung von Hybridzuständen zusammen mit Plasmonanregungen von metallischen Nanostrukturen oder zusammen mit Mikroresonator-Photonen. Diese neuartigen Phänomene werden Gegenstand der theoretischen Projektarbeit sein, wobei der Fokus auf Vielfachanregungen in molekularen Systemen als Ergebnis einer intensiven optischen Anregung liegt.Dazu soll die Vielelektronen-Theorie genutzt und weiterentwickelt werden, um die photoinduzierte Reaktion in einem einzelnen Molekül oder in einem molekularen Dimer zu untersuchen. Verschiedene Wellenfunktions-basierte Methoden sollen angewendet werden. Zur Behandlung größerer molekularer Systeme werden eine Vielexzitonen-Beschreibung eingesetzt und nichtlineare kinetische Gleichungen gelöst. So kann ultraschneller photoinduzierter Anregungsenergie-Transfer simuliert werden, bei dem insbesondere höhere elektronische Niveaus der Moleküle eine Besetzung erfahren (insbesondere für Systeme bestehend aus Perylen- oder Parasexiphenyl-Molekülen). Die mikroskopische Beschreibung einer Vielzahl von nichtlinearen und partiell kohärenten Energietransfer-Prozessen wird möglich, speziell in ihrer Abhängigkeit von Intensität und Dauer der optischen Anregung und jenseits einer zur Exziton-Exziton-Annihilation gehörigen Standardkinetik. Ein Vergleich mit den Benchmark-Rechnungen zum molekularen Dimer im Rahmen der Vielelektronen-Theorie ermöglicht eine Bewertung der Ergebnisse der Vielexzitonen-Beschreibung. Die hier benötigten Energien und Kopplungsmatrixelemente werden ebenfalls von der Vielelektronen-Theorie bereitgestellt. Um eine Brücke zu schlagen von der formalen Ableitung kinetischer Gleichungen zu spektroskopischen Experimenten werden Photoemissions-Spektren und Spektren der transienten Absorption berechnet.Neben dem Studium isolierter molekularer Komplexe werden auch Effekte von Plasmon-Anregungen in metallischen Nanoteilchen, die dem molekularen System benachbart sind, eine Berücksichtigung erfahren. Eine spezifische Kontrolle der Vielexzitonen-Dynamik soll demonstriert werden. Einen Schritt in ein völlig neuartiges Forschungsgebiet stellt die Untersuchung von molekularen Systemen dar, die in einen optischen Mikroresonator eingebracht wurden. Vorschlägen aus der Literatur folgend soll die Ausbildung eines durch den Beitrag von Mikroresonator-Photonen gebildeten neuen Regimes des intermolekularen Anregungsenergie-Transfers beschrieben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Volkhard May
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Shiwu Gao, Ph.D.; Professorin Luxia Wang, Ph.D.