AK Fink - Theoretische Chemie, Computational Physical Chemistry

Anwendbare Theorie

In der Arbeitsgruppe Fink werden Elektronenstrukturmethoden entwickelt und angewandt, um wissenschaftliche Fragestellungen aus dem Bereich der Physikalischen Chemie zu bearbeiten. Unsere Arbeiten konzentrieren sich auf vier Themengebiete:

• Kurzreichweitige molekulare Wechselwirkungsenergien
• Theorie organischer Solarzellen
• Berechnung von Rumpfelektronenspektren
• Entwicklung von Quantenchemischen Rechenmethoden

Kurzreichweitige molekulare Wechselwirkungsenergien

Atome und Moleküle stoßen sich soch gegenseitig ab, wenn ihre Elektronen anfangen sich mehr und mehr an derselben Stelle aufzuhalten. Letzteres ist aufgrund des Pauli-Verbots nicht erlaubt und führt zu einer Abstoßung, die als Pauli-Repulsion bezeichnet wird. Diese ist für die Struktur von Materie praktisch genauso wichtig, wie kovalente chemische Bindungen, die für die Struktur von Molekülen entscheidende Bedeutung hat. Beide Effekte sind grundsätzlich mit der elektroneischen Struktur der Materie verknüpft und können mit der Theorie der chemischen Bindung erklärt werden.

Im AK Fink wird untersucht, wie man die Pauli-Abstoßung anschaulich auf der Basis der elektronsiche Struktur wiedergeben kann. Dazu wurde ein Modell entwickelt, welches diese Abstoßungsenergie als Summe von Orbital-Orbital Beiträgen wiedergibt. Dies verbessert sowohl qualitativ als auch quantutativ unser Verständnis der Struktur von Molekülaggregaten, die wesentliche Bedeutung für biologische, materialwissenschaftliche und makromolekulare eigenschaften haben.

Theorie organischer Solarzellen

Elektrisch leitfähige organische Farbstoffe sind wesentliche Bestandteile einer neuen Gruppe preisgünstiger und leistungsfähiger elektrischer Bauteile. Wichtiges Anwendungspotenzial haben diese in bei Feldeffekttransistoren, organischen licht-emittierende Dioden (OLEDs) und organischen Solarzellen. Obwohl solche Materialien zum Teil schon in technischen Anwendungen eingesetzt werden, ist deren Funktionalität nur teilweise verstanden. Dies liegt zum Teil an der komplexen meist amorphen, teilkristallinen und/oder polymorphen Struktur dieser Materialien, die sich nicht mit üblichen periodisch symmetrischen Kristallstrukturen wiedergeben lassen. Für die optoelektronischen Eigenschaften spielt deren Festkörperstruktur eine wesentliche Rolle. Allerdings ist selbst für rein kristalline Materialien nicht gut verstanden, wie die materialwissenschaftlich interessanten Transporteigenschaften mit der molekularen und der Festkörper-Struktur zusammenhängen.

Am Beispiel von 3,4:9,10-Perylentetracarboxy-Verbindungen haben wir in den letzten Jahren zeigen können, dass quantenchemische Rechnungen wesentliche Grundlagen zum Verständnis der optoelektronischen Eigenschaften organischer Materialien liefert. Die Strukturen von Aggregaten dieser Moleküle können mit Kristallstrukturen von Derivaten dieser Molekülklasse korreliert werden und es wurde eine quantitative Beziehung zwischen den Kristallstrukturen und den Absorptions­eigenschaften aufgestellt. Weiterhin haben wir Modelle für Transporteigenschaften organischer Materialien entwickelt und verifiziert sowie mögliche transport-limitierende Vorgänge identifiziert. Weitere Arbeiten werden sich mit der Struktur solcher Materialien an Grenzflächen beschäftigen und deren Bedeutung für optoelektronische Eigenschaften simulieren.

Der AK Fink arbeitet daran

1. ein Verständnis und eine quantitative Vorhersage für die energetischen Wechselwirkungen zu gewinnen, die für die Struktur der Feststoffe verantwortlich sind,
2. Absorptions- und Transporteigenschaften interessanter Materialien vorherzusagen,
3. Erklärungen für die häufig sehr limitierten Beweglichkeiten von Ladungsträgern und Exzitonen in organischen Materialien zu liefern undMöglichkeiten zu finden,
4. diese Limitierungen zu überwinden.

Berechnung von Rumpfelektronenspektren

Die elektronische Struktur bildet die wesentliche Grundlage aller chemischen Eigenschaften: Rumpfelektronenspektroskopie ist eine Methode um detaillierte Kenntnisse dieser elektronischen Struktur zu gewinnen. Dabei werden Elektronen aus Rumpforbitalen angeregt und der Zerfall der entstehenden hochangeregten Zustände beobachtet.

Im AK Fink werden die bei der Rumpfelektronenspektroskopie auftretenden elektronischen Zustände von Molekülen durch Optimierung der elektronischen Wellenfunktionen explizit berechnet und damit deren Energien sowie die Übergangswahrscheinlichkeiten für die Anregungs- und Zerfallsprozesse explizit bestimmt. Damit kann ein rein theoretisches Gegenstück zu einem Rumpfelektronen-Spektrum erzeugt werden, welches wichtige Beiträge zur Interpretation der Spektren liefert. Damit kann ein grundsätzliches Verständnis dieses Type von Spektroskopie erhalten werden.

Entwicklung von Quantenchemischen Rechenmethoden

Die Schlüsselfrage vieler quantenchemische Rechnungen ist, ob eine Methode zur Verfügung steht, die es gestattet mit erträglichem Rechenaufwand eine ausreichende hohe  Genauigkeit aufweist, um zu einer Fragestellung glaubwürdige Aussagen machen zu können.

Im AK Fink werden Quantenchemische Methoden intensiv eingesetzt. Gleichzeitig ist es mit den RE-PT, S2-MP und REMP Methoden gelungen, neue wellenfunktionsbasierte ab initio-Verfahren zu etablieren. Benchmarkrechnungen an kleinen Molekülen zeigen, dass insbesondere das REMP Verfahren sehr genaue Vorhersagen Thermodynamischer Parameter wie zum Beispiel Atomisierungs- und Reaktionsenergien liefert, aber auch für die geometrische Struktur und andere Eigenschaften von Molekülen präzise Vorhersagen macht. Ein Schlüssel hierzu ist, dass diese Methoden einen Zugang zu elektronischen Wellenfunktionen liefern. Durch Vergleich mit sehr genauen Wellenfunktionen aus hochgenauen Coupled Cluster und full CI-Rechnungen werden Varianten der oben genannten neuen Methoden entwickelt, die bei geringem rechnerischen Aufwand einen großen Anwendungsbereich bei guter Genauigkeit haben und gleichzeitig auf ein breites Spektrum von elektroneischen Strukturen anwendbar sind.