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Self-interaction and charge transfer in organic semiconductors
(2009)
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Thomas Körzdörfer
- The fascinating properties of organic molecular semiconductors paved the way for a new class of electronic devices such as organic light-emitting diodes, transistors, or solar cells. Despite an inferior efficiency as compared to commonly used silicon-based technologies, organic semiconductors promise the advent of fully flexible devices for large-area displays and solar cells, printed transistors as low-cost radio frequency identification (RFID) tags, displays for electronic books, and disposable measuring instruments for medical diagnosis. Hence, the investigation of organic molecular semiconductors has emerged as a vibrant field of development both in industry and in academia, spanning a wide range of subjects from physics, chemistry, and materials science to engineering and technology. Theoretical physicists can contribute to this progress by developing methods that allow to determine the electronic properties of organic semiconductors from first principles and thus deepen our knowledge of the underlying electronic processes in organic electronic devices. The calculation of the electronic properties of molecular semiconductors issues a serious challenge to theoretical physicists and chemists. Typically, organic semiconductor molecules employ several hundreds of electrons. For systems of that size, approaches that work with model Hamiltonians are typically not accurate enough in predicting many important electronic properties. However, solving the many-particle Schrödinger-equation by employing highly accurate perturbation theory approaches is often numerically too expensive to be considered as a convenient alternative. Hence, density functional theory (DFT) naturally arises as the method of choice. However, although in theory DFT yields an exact formulation of quantum mechanics, the quality of the results obtained from DFT calculations in practice strongly depends on the used approximations to the so-called exchange-correlation functional. This work concentrates on the problem of self-interaction, which is one of the most serious problems of commonly used approximative density functionals. As a major result of this work, it is demonstrated that self-interaction plays a decisive role for the performance of different approximative functionals in predicting accurate electronic properties of organic molecular semiconductors. This is particularly true for the calculation of ionization potentials, photoelectron spectra, dissociation, and charge-transfer processes. In search for a solution to the self-interaction problem, a new concept for correcting commonly used density functionals for self-interaction is introduced and applied to a variety of systems, spanning small molecules, extended molecular chains, and organic molecular semiconductors. It is further shown that the performance of functionals that are not free from self-interaction can vary strongly for different systems and observables of interest, thus entailing the danger of misinterpretation of the results obtained from those functionals. The underlying reasons for the varying performance of commonly used density functionals are discussed thoroughly in this work. Finally, this thesis provides strategies that allow to analyze the reliability of commonly used approximations to the exchange-correlation functional for particular systems of interest. This cumulative dissertation is divided into three parts. Part I gives a short introduction into DFT and its time-dependent extension (TDDFT). Part II provides further insights into the self-interaction problem, presents a newly developed concept for the correction of self-interaction, gives an introduction into the publications, and discusses their basic results. Finally, the four publications on self-interaction and charge-transfer in extended molecular systems and organic molecular semiconductors are collected in Part III.
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Correlated electron dynamics and memory in time-dependent density functional theory
(2009)
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Mark Thiele
- Korrelierte Elektronendynamik ist für nichtlineare und lineare Prozesse in Atomen und Molekülen von großer Bedeutung. Dies betrifft insbesondere die Wechselwirkung mit starken Feldern und die Photoabsorptionsspektren. Die theoretische Beschreibung der Korrelationen gestaltet sich jedoch im Allgemeinen schwierig. Außerdem erfordern Anwendungen im Bereich starker Felder einen nicht-perturbativen Zugang. Im Prinzip liefert die zeitabhängige Vielteilchen-Schrödingergleichung (TDSE) die exakte Lösung für beliebige Prozesse. Allerdings wird der numerische Rechenaufwand bereits für kleine Systeme in starken Feldern zu groß. Eine Alternative bietet hier die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TDDFT), die sowohl die Berücksichtigung von Korrelationseffekten als auch einen nichtperturbativen Zugang bei starken Feldern erlaubt. Bei der TDDFT handelt es sich um eine exakte Umformulierung der TDSE, bei der das Problem vieler wechselwirkender Elektronen auf das Kohn-Sham-System nicht-wechselwirkender Teilchen abgebildet wird, das die exakte Elektronendichte reproduziert. Da dieses Hilfssystem auf Einteilchengleichungen beruht, können numerische Berechnungen wesentlich effizienter durchgeführt werden als auf Basis der TDSE. Die gesamten nicht-klassischen Vielteilcheneffekte werden im Kohn-Sham-System über das Austausch-Korrelations-Potential berücksichtigt, das jedoch im Allgemeinen unbekannt ist und daher angenähert werden muss. Dieses Vorgehen stellt einen wohldefinierten Zugang zur Beschreibung des Vielteilchen-Problems dar. Ein wichtiger Aspekt dieser notwendigen Näherung betrifft die Berücksichtigung sogenannter Gedächtniseffekte im Austausch-Korrelations-Potential. Letzteres ist nämlich im Allgemeinen ein kompliziertes Funktional, das nichtlokal im Raum von der gesamten Vorgeschichte der Elektronendichte abhängt. Werden die Nichtlokalität in der Zeit und damit die Gedächtniseffekte vernachlässigt, spricht man von der adiabatischen Näherung. Diese wird in der Regel mit einer Näherung der räumlichen Nichtlokalität kombiniert. Durch diese Verknüpfung wird die Interpretation von TDDFT-Ergebnissen häufig erschwert. Insbesondere bei der Beschreibung starker äußerer Felder treten im Rahmen der TDDFT Probleme auf, deren Beziehung zu den Gedächtniseffekten bisher unklar ist. Aber auch im Falle der linearen Anregungsspektren spielen die Gedächtniseffekte eine wichtige Rolle. Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Zusammenhang zwischen den Gedächtniseffekten und der korrelierten Elektronendynamik in starken und schwachen Feldern zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden eindimensionale Zwei-Elektronen-Singulett-Systeme untersucht, da hier sowohl die Lösung der TDSE als exakte Referenz als auch die Berechnung der relevanten TDDFT-Größen möglich ist. Gleichzeitig schließen diese Systeme das eindimensionale Helium-Atom-Modell ein, das ein etabliertes System zur Untersuchung der charakteristischen Effekte korrelierter Elektronendynamik in äußeren Feldern darstellt. Bei diesen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass Gedächtniseffekte für Starkfeld-Prozesse nur eine untergeordnete Rolle spielen. Hier ist vielmehr die korrekte Näherung der räumlichen Nichtlokalität entscheidend. Bei den Photoabsorptionsspektren hingegen führt die Vernachlässigung der Gedächtniseffekte zu qualitativen und quantitativen Fehlern. Es zeigt sich, dass diese Probleme mit dem Auftreten von Doppelanregungen zusammenhängen. Um ein besseres Verständnis zu entwickeln, unter welchen Umständen Gedächtniseffekte wichtig werden, hat sich die sogenannte Quanten-Hydrodynamik als äußerst nützlich erwiesen. Hierbei handelt es sich um eine weitere Darstellungsmöglichkeit des quantenmechanischen Vielteilchen-Problems, die auf hydrodynamischen Größen wie Dichte und Geschwindigkeit basiert. Man findet, dass Gedächtniseffekte immer dann wichtig werden, wenn das Geschwindigkeitsfeld starke Gradienten ausbildet und Dissipationseffekte auftreten. Daraus ergeben sich interessante Schlussfolgerungen für die Interpretation der Elektronen als viskoelastische Flüssigkeit. Diese und weitere Ergebnisse sind in vier Publikationen enthalten, die sich am Ende dieser Arbeit finden.
