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Untersuchung der Elektronendynamik in Nanostrukturen mittels nicht-adiabatischer Ehrenfest-Moleculardynamik in Echtzeit

Betreuer: Lynn Gross, Franco Bonafe

Organische Halbleiter sind von zunehmendem technologischen Interesse und finden insbesondere als elektronische Bauteile, wie z.B. organische Leuchtdioden (OLED), Solarzellen (OSC) und Feldeffekt-Transistoren (FETs), bereits praktische Anwendung. Die Untersuchung von photoinduzierten Ladungs- und Energietransferprozessen in solchen organischen Nanomaterialien spielt hierbei eine zentrale Rolle und beinhaltet fast immer auch die Beschreibung der Dynamik angeregter vibronischer Zustände, welche schließlich die molekularen und elektronischen Eigenschaften und Funktionalitäten definiert.

Diese ultraschnelle Dynamik von Elektronen und Ionen bei der Anregung durch Photonen ist durch nicht-adiabatische Prozesse gekennzeichnet, bei denen die Kopplung zwischen nuklearer und elektronischer Bewegung wichtig wird (“Zusammenbruch der Born-Oppenheimer Näherung”). Nach der Photoanregung können verschiedene nichtstrahlende Relaxationspfade zu einer Vielzahl komplexer Prozesse führen. Daher ist die Simulation der nicht-adiabatischen Moleküldynamik ein wichtiges Werkzeug zum Verständnis komplexer lichtinduzierter Prozesse wie interne Umwandlung, Energietransfer, Ladungstrennung und räumliche Lokalisierung von Exzitonen (Elektronen-Loch-Paaren).

Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen lasergesteuerte Echtzeit-Dynamiksimulationen durchgeführt werden, um Ladungtransfer- sowie Ladungstrennprozesse in nanoskopischen Systemen zu untersuchen. Die quantenmechanischen Simulationsmethoden, die hierfür bereitgestellt werden, basieren auf der zeitabhängigen dichtefunktionalbasierten Tight-Binding-Methode (TD-DFTB) um die elektronische Struktur und Trajektorien zu beschreiben. Die nicht-adiabatische Molekulardynamik wird nach der Ehrenfest-Methode beschrieben, bei der die Kerne als klassische Partikel und die Elektronen quantenmechanisch behandelt werden und zudem ein gemitteltes, effektives Potential aus allen adiabatischen Zuständen verwendet wird.