Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

The ability of the Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set–QB3, and Complete Basis Set–APNO model chemistries to model the geometries of small water clusters

The Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO methods have been used to calculate geometries of neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2–6. The structures are in excellent agreement with those determined from experiment and those predicted from previous high-level calculations. These methods also provide excellent thermochemical predictions for water clusters, and thus can be used with confidence in evaluating the structures and thermochemistry of water clusters.

Legendre Polynomials and Angular Momentum

An introduction to Legendre polynomials as precursor to studying angular momentum in quantum chemistry,

Continued Fraction Solutions to Hermite's, Legendre's and Laguerre's Differential Equation

The continued fraction method for solving differential equations is illustrated using three famous differential equations used in quantum chemistry.

Aromic Units, Why We Need Them and How They Work

Quantum Chemistry is usually carried out using Atomic Units, so a careful discussion of these units is warranted.

Triatomic Molecular Orbitals

If elementary Quantum Chemistry stops at diatomic molecules, some students may be left with false impressions concerning how one builds polyatomic molecule's LCAO-MOs. This reading discusses building such molecular orbitals from atomic orbitals centered at different spatial coordinates.

Guessing Solutions to the H-atom Schrodinger Equation

In teaching elementary quantum chemistry, the concept of eigenfunctionality is explored using the H-atom's Hamiltonian and various guessed functions. This is done in Cartesian coordinates, in Spherical Polar coordinates, and in Confocal Elliptical coordinates.

The hard-soft acid-base principle in enzymatic catalysis: dual reactivity of phosphoenolpyruvate.

In this paper, the chemical reactivity of C3 of phosphoenolpyruvate (PEP) has been analyzed in terms of density functional theory quantified through quantum chemistry calculations. PEP is involved in a number of important enzymatic reactions, in which its C3 atom behaves like a base. In three different enzymatic reactions analyzed here, C3 sometimes behaves like a soft base and sometimes behaves like a hard base in terms of the hard-soft acid-base principle. This dual nature of C3 of PEP was found to be related to the conformational change of the molecule. This leads to a testable hypothesis: that PEP adopts particular conformations in the enzyme-substrate complexes of different PEP-using enzymes, and that the enzymes control the reactivity through controlling the dihedral angle between the carboxylate and the C==C double bond of PEP.

A structural basis for a phosphoramide mustard-induced DNA interstrand cross-link at 5'-d(GAC).

Phosphoramide mustard-induced DNA interstrand cross-links were studied both in vitro and by computer simulation. The local determinants for the formation of phosphoramide mustard-induced DNA interstrand cross-links were defined by using different pairs of synthetic oligonucleotide duplexes, each of which contained a single potentially cross-linkable site. Phosphoramide mustard was found to cross-link dG to dG at a 5'-d(GAC)-3'. The structural basis for the formation of this 1,3 cross-link was studied by molecular dynamics and quantum chemistry. Molecular dynamics indicated that the geometrical proximity of the binding sites also favored a 1,3 dG-to-dG linkage over a 1,2 dG-to-dG linkage in a 5'-d(GCC)-3' sequence. While the enthalpies of 1,2 and 1,3 mustard cross-linked DNA were found to be very close, a 1,3 structure was more flexible and may therefore be in a considerably higher entropic state.

Dinâmica molecular de sistemas iônicos poliatômicos: modelos polarizável e não-polarizável

Simulações de sais de carbonato fundidos pelo método de Dinâmica Molecular (MD) foram efetuadas com o modelo polarizável de cargas flutuantes (FC). O modelo de cargas flutuantes implementa os efeitos de polarização pelo método de Lagrangiano estendido, onde as variáveis extras são as próprias cargas parciais do íon poliatômico. O modelo FC foi parametrizado por meio de cálculos ab inito, aplicado ao ânion carbonato. Cálculos de Química Quântica ab initio foram utilizados para corroborar o modelo proposto para o ânion carbonato. Os sistemas investigados consistem em misturas de carbonatos alcalinos fundidos, Li2CO3/K2CO3, os quais são utilizados como eletrólitos em células a combustível. As simulações MD foram utilizadas para verificar o efeito da polarização dos ânions sobre a estrutura e dinâmica do líquido. Estudamos o efeito da inclusão de polarização sobre a condutividade do eletrólito.

Spin alignment of extra electrons in K-phenanthrene clusters taken from the crystalline tripotassium-intercalated phenanthrene structure

The appearance of ferromagnetic correlations among π electrons of phenanthrene (C14H10) molecules in the herringbone structure is proven for K doped clusters both by ab initio quantum-chemistry calculations and by the direct solution of the many-body Pariser-Parr-Pople Hamiltonian. Magnetic ground states are predicted for one or three additional electrons per phenanthrene molecule. These results are a consequence of the small overlap between the lowest unoccupied molecular orbitals (and lowest unoccupied molecular orbitals + 1) of neutral neighboring phenanthrene molecules, which makes the gain in energy by delocalization similar to the corresponding increase due to the Coulomb interaction.

Polarized–unpolarized ground state of small polycyclic aromatic hydrocarbons

Do polyacenes, circumacenes, periacenes, nanographenes, and graphene nanoribbons show a spin polarized ground state? In this work, we present monodeterminantal (Hartree–Fock (HF) and density functional theory (DFT) types), and multideterminantal calculations (Møller–Plesset and Coupled Cluster), for several families of unsaturated organic molecules (n-Acenes, n-Periacenes and n-Circumacenes). All HF calculations and many DFT show a spin-polarized (antiferromagnetic) ground state, in agreement with previous calculations. Nevertheless, the multideterminantal calculations, carried out with perturbative and variational wavefunctions, show that the more stable state is obtained starting from the unpolarized HF wavefunction. The trend of the stabilization of wavefunctions (polarized or unpolarized) with respect to exchange and correlation potentials, and to the number of benzene rings, has been analyzed. A study of the spin (〈Ŝ2〉) and the spin density on the carbon atoms has also been carried out.