Beschreibung temperaturabhängiger Eigenschaften von Exzitonen in Titanoxid unter Verwendung geeignet abgeschirmter Dichtefunktionalnäherungen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Sentef, seit 9/2023
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496750092

Titandioxid ist eines der am meisten untersuchten Materialien gegenwärtig, da es ein großes Potenzial für weitreichende Bereiche wie Photokatalyse, Lichtenergieumwandlung und Luftrei-nigung bietet. Dennoch gibt es immer noch ein riesiges Wissensvakuum, insbesondere über die Natur seiner grundlegenden optischen Anregungen. Der Grund dafür, dass ein tiefes Verständ-nis des Verhaltens von Exzitonen in diesem Halbleiter bisher nicht möglich war, liegt an dem hohen Rechenaufwand der notwendigen Untersuchungen. In diesem Projekt befassen wir uns speziell mit der Temperaturabhängigkeit der optischen Spektren in Titandioxid. Jüngste Experimente zeigen, dass temperaturbedingte Änderungen des Reflexionsvermögens stark von der Polarisation des einfallenden Lichts abhängen und zu Blau-verschiebungen einiger exzitonischer Merkmale führen, während sich andere in den roten Spektralbereich verschieben. Eine solche stark anisotrope und zustandsspezifische Wirkung kann nicht einfach durch thermische Gitterausdehnung erklärt werden. Stattdessen sind ato-mistische Simulationen erforderlich, die die normalmodenspezifischen Elektron-Phonon-Wechselwirkungen mit einbeziehen. Darüber hinaus ist eine genaue Bestimmung der Band-struktur von Titandioxid und der abgeschirmten Elektron-Loch-Wechselwirkung in TiO2 Voraus-setzung. Um diese Anforderungen zu erfüllen, schlagen wir vor, die sogenannte time-dependent density functional based tight-binding Methode (TD-DFTB) auf periodische Systeme auszudehnen und dabei Austauschkorrelationsfunktionale mit einer korrekten Abschirmung der Elektron-Elektron-Wechselwirkung und einem genauen langreichweitigen Verhalten einzubeziehen. TD-DFTB ist eine Näherungsversion der zeitabhängigen DFT (TD-DFT). Angesichts der genauen Vorhersagen von TD-DFTB für endliche molekulare Systeme erwarten wir eine allgemein anwendbare Me-thode zur Vorhersage von Exzitonenenergien, Absorptionsstärken und der Lokalisierung von Elektron-Loch-Paaren. Diese Entwicklung macht die große Klasse der kristallinen Materialien für eine vereinfachte theoretische Behandlung zugänglich.Das besondere Interesse an TD-DFTB im Zusammenhang mit temperaturabhängigen optischen Eigenschaften rührt von den stark reduzierten Rechenkosten im Vergleich zu konventioneller TD-DFT und Vielkörper-Störungstheorie her. In einer First-Principles-Behandlung können tem-peraturabhängige Spektren durch Abtasten der Kernwellenfunktion bei verschiedenen Geomet-rien und Berechnung der dielektrischen Funktion für jede der Konfigurationen erhalten werden. Mit Hilfe von TD-DFTB kann diese Analyse ohne eine Ad-hoc-Auswahl bestimmter relevanter Normalmoden, konvergent ausgeführt werden. Auf diese Weise versuchen wir, den mit uns zusammenarbeitenden Experimentatoren ein unvoreingenommenes mikroskopisches Bild der temperaturabhängigen Photoreaktion von Titandioxid in seinen verschiedenen Polymorphen zu liefern. Dieser neuartige Ansatz soll auch auf andere Oxide angewandt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Edoardo Baldini
• Ehemalige Antragsteller: Professor Dr. Thomas Frauenheim, bis 10/2022; Professor Dr. Frank Jahnke, von 10/2022 bis 8/2023