First Principle-Simulationen zur weichen Röntgenspektroskopie von molekularen Ladungs- und Energietransferprozessen

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Kühn
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252105138

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und numerische Implementierung theoretischer Methoden zur Beschreibung der weichen Röngtenspektroskopie von molekularen Energie- und Ladungstransferprozessen. Energie- und Ladungstransfer im Bereich der Valenzanregungen gehört zu den grundlegenden Prozessen in Solarenergiematerialien, die beispielsweise in Photokatalysatoren oder in der organischen Photovoltaik Anwendung finden. Die Verbesserung dieser Materialien erfordert ein detailliertes Verständnis ihrer Wirkprinzipien auf molekularer Ebene. Darüber hinaus ist es vorstellbar, dass die im Rahmen der klassischen Physik gegebenen Einschränkungen durch die Ausnutzung nichttrivialer Quanteneffekte überwunden werden können. Die eindeutige Charakterisierung dieser Prozesse mit Hilfe optischer Detektionsmethoden wird oft durch die Komplexität der Spektren eingeschränkt. Röntgenspektroskopie ist jedoch elementspezifisch, so dass Atome in einem Molekül anhand ihrer Absorptionskanten identifiziert werden können. Röntgenquellen an Großforschungseinrichtungen aber auch im Labormaßstab werden zunehmend verfügbar und es gibt einen großen Bedarf an entsprechender theoretischer Unterstützung. Während die Untersuchung von Komplexen mit einem Metallzentrum mit Hilfe von optischen Pump- und Röntgen-Probepulsen zunehmend etabliert wird, sind entsprechende Untersuchungen an Komplexen mit mehreren Metallzentren noch selten zu finden. Speziell die first principle Theorie stößt hier an ihre Grenze, da insbesondere die wichtigen L-Kanten von Übergangsmetallen durch ausgeprägte Multkonfigurationseffekte und Spin-Bahn Kopplung bestimmt sind. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird in diesem Projekt eine neue Strategie verfolgt. Dabei wird von der Lokalität der Röngtenabsorption Gebrauch gemacht, die es gestattet, multichromophore Komplexe im Sinne wechselwirkender Fragment zu beschreiben. Die Idee folgt der Logik der Frenkel-Exzitonentheorie, die für Valenzanregungen etabliert ist. Die Übertragung auf Valenz- und Innerschalenanregungen von multichromophoren Komplexen wird eine einheitliche Beschreibung dieser Anregungen gestatten, wodurch z.B. die Simulation der Röntgenspektroskopie von optisch ausgelöster Valenzzustandsdynamik möglich sein wird. Zwei Typen von Anwendungen werden betrachtet werden. In einer proof-of-principle Untersuchung wird ein System mit zwei Metallzentren im Mittelpunkt stehen, wodurch ein deutlicher Schritt über die in der ersten Förderperiode erzielten Ergebnisse hinaus möglich wird. In einer zweiten Anwendung wird, gemeinsam mit einem experimentellen Partner und in Anlehnung an die organische Photovoltaik, der Energietransfer sowie die Ladungsseparation an einer Grenzfläche in einem Modellsystem untersucht werden. Der Fokus dabei wird auf der Identifizierung der Signaturen von kohärenter Dynamik delokalisierter Exzitonenwellenpakete liegen, was der seit Jahren andauernden Diskussion in diesem Feld einen neuen Impuls geben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen