Photoinduzierte Prozesse in Stickstoff-substituierten aromatischen Molekülen und ihren Dimeren: Eine experimentelle und theoretische Untersuchung.

• Antragsteller: Professor Dr. Ingo Fischer; Professor Dr. Roland Mitric
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465716799

In diesem Projekt werden wir die Photophysik und -chemie in aromatischen Molekülen mit Stickstoff untersuchen (PANH, polyzyklische aromatische stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffe). Das besondere Merkmal des Projekts ist dabei die enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment. Experimentelle Daten an isolierten Molekülen und Dimeren erlauben einen direkten Vergleich mit theoretischen Simulationen und damit die Aufklärung der intrinsischen molekularen Eigenschaften ohne Umgebungseinfluss. Die zeitaufgelöste Photoionisation und Photoelektronenspektroskopie mit bildgebenden Detektoren im Molekularstrahl stellt die wichtigste experimentelle Methode dar und wird begleitet von quanten-klassischen Dynamik-Simulationen, einem Ansatz, der den direkten Vergleich mit experimentellen Observablen, wie zeitabhängigen Signalen oder Photoelektronenspektren erlaubt. Da Pikosekunden-Pulse mit einer Zeitauflösung etwa 4 ps und einer Bandbreite von 15-20 cm-1 verwendet werden, kann die Abhängigkeit der Photodynamik von der im Molekül deponierten Energie untersucht werden. Fragen der Grundlagenforschung stehen im Mittelpunkt unseres Projekts, das Forschungsprogramm wird jedoch motiviert durch das Potential stickstoffhaltiger Moleküle für die Materialwissenschaften. So kann der Ersatz eines Kohlenstoffatoms durch ein Stickstoffatom in polyzyklischen Aromaten (PAH) den elektronenleitenden Charakter der Moleküle erhöhen. Daneben spielen PANH auch eine wichtige Rolle in der Astrochemie, da sie als Träger der unidentifizierten Infrarotbanden (UIB) in Betracht gezogen werden. Im Einzelnen werden wir folgende Fragen beantworten:a) Durch Einführung eines N-Atoms in ein PAH kann sich die Reihenfolge der elektronisch angeregten Zustände, aber auch ihr Charakter ändern. Daher werden wir die elektronische Struktur und Dynamik nach gezielter Substitution von C durch N in Abhängigkeit vom Ort des N-Atoms untersuchen. Zunächst soll die Reihe Phenanthren/Phenanthridin/Benzoquinolin stu-diert werden, anschließend werden die Arbeiten auf gezielt synthetisierte Aza-Tetracene und Aza-Pentacene erweitert.b) Wir werden den Einfluss der Substitution auf die Struktur von Dimeren und insbesondere auf die Bildung von Excimeren aufklären, Dimeren mit starker Wechselwirkung im elektronisch angeregten Zustand. Hier werden insbesondere Tetracen- und Pentacen-Derivate relevant, da beide Chromophore als Kandidaten für Singlet-Fission (SF) gelten. Bei diesem Prozess entstehen aus einer Anregung zwei Ladungsträger, was bei geeigneten Materialien potentiell zu einer Erhöhung der Effizienz in Solarzellen führen kann. Die Excimer-Bildung kann als erster Schritt auf dem Weg zur SF betrachtet werden.c) Materialwissenschaftlich relevante Heterocyclen wie PTCDA und PBI werden über Laserdesorption in die Gasphase überführt und die Photophysik der Monomere und Dimere studiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen