Hybridfunktionale für Hybridmaterialien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Hilke Bahmann
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418140043

Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist das wichtigste Werkzeug für quantenchemische Rechnungen, bis hin zu industriellen Anwendungen in der Katalyse und im Materialdesign. Die zentrale Größe in dieser Methode ist das angenäherte Austauschkorrelationsfunktional, das über empirische Parameter häufig an gegebene Systeme und Eigenschaften angepasst wird. Dieses Verfahren ist insbesondere für heterogene Systeme, wie Grenzflächen und Moleküle auf Oberflächen nur von begrenztem Nutzen, da die Parameter global und systemweit sind. Eine weitere Herausforderung für DFT sind starke Korrelationseffekte, die z.B. notwendig sind, um die Dissoziation von Molekülen, chemische Bindungen mit Übergangsmetallen oder schweren Elementen, sowie Bandlücken in Halbleitern oder Nanostrukturen korrekt zu beschreiben.Ziel dieses Projekts ist es, die Vorhersagekraft von Dichtefunktionaltheorieberechnungen für Hybridmaterialien zu verbessern. Hierfür werden neue Konzepte untersucht, die sich an die lokale elektronische Umgebung anpassen, sowie neuartige, nichtlokale Funktionale für starke Korrelation entwickelt. Einfache Konzepte werden mit effizienten Algorithmen zur Implementierung in ein etabliertes Quantenchemie-Programm kombiniert, um die neuen Methoden direkt zur Anwendung auf chemisch und physikalisch relevante Systeme verfügbar zu machen.Für die explizite Berücksichtigung starker Korrelation werden Funktionale entwickelt, die auf der sphärisch gemittelten Ladungsdichte basieren. Diese nichtlokale Größe enthält Informationen über die Elektronen an zwei verschiedenen Punkten im Raum und ist eine vielversprechende neue Variable für Austauschkorrelationsfunktionale. Außerdem werden in diesem Projekt zwei komplementäre Strategien verfolgt, die auf einer flexiblen Kombination aus exaktem und angenähertem DFT Austausch basieren. Einerseits werden lokale Hybridfunktionale für periodische Randbedingungen implementiert, um eine ausführliche Validierung für Festkörper und Oberflächen zu ermöglichen. Neben der genauen Beschreibung molekularer Grundzustände und Anregungsenergien, sind mit lokalen Hybridfunktionale auch Bandoffsets und lokale elektronische Zustände an Grenzflächen direkt zugänglich. Der zweite Ansatz stellt eine Erweiterung der etablierten Aufteilung der Austauschenergie in kurz- und langreichweitige Beiträge (engl. range-separation) auf lokale range-separation dar. Mit Fokus auf molekulare Systeme im Grundzustand werden zunächst mathematische Ansätze aus physikalischen Überlegungen abgeleitet. Geeignete Kandidaten werden schließlich für Ladungstransferanregungen in katalytisch relevanten Systemen getestet.Die in diesem Projekt entwickelten Methoden sollen die Charakterisierung stark heterogener Systeme wie adsorbierte Moleküle an Oberflächen oder organisch/anorganischen Grenzflächen verbessern und starke Korrelationseffekte in Molekülen und Festkörpern nahtlos beschreiben.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen