Eingebettete Wellenfunktionen für 2D- und 3D-periodische molekulare Systeme

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Sebastian Höfener
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469134324

Trotz der Entwicklung unterschiedlicher Ansätze stellt die Verwendung korrelierter Wellenfunktionen in periodischen Systemen noch immer eine Herausforderung dar. Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, eine genaue Beschreibung lokaler Eigenschaften in periodischen molekularen Systemen, wie beispielsweise lokale Defekte in molekularen Kristallen oder hopping-basierten Transport in organischen Halbleitern, mit korrelierten Wellenfunktionsmethoden zu ermöglichen. Während Wellenfunktionsmethoden die erforderliche Genauigkeit für dynamische oder statische Korrelation bereitstellen, skaliert der Rechenaufwand bei konventionellen Ansätzen deutlich mit der Systemgröße, so dass insbesondere die Anwendung von Wellenfunktionsmethoden auf molekulare Festkörper und Flüssigkeiten häufig eingeschränkt ist. Frozen-Density Embedding (FDE) ermöglicht eine quasi-lineare Skalierung mit Anzahl der Subsysteme, so dass die Untersuchung lokaler Eigenschaften einschließlich Defekten erheblich erleichtert wird. Im vorliegenden Antrag sollen eingebettete Wellenfunktionen unter Verwendung einer lokalen Gauß-Basis in 2D- und 3D-periodischen Systemen in Kombination mit schnellen Multipolmethoden für die langreichweitigen Coulomb-Beiträge verwendet werden. Freeze-Thaw-Iterationen werden verwendet, um Moleküle in unmittelbarer Nähe von Störungen bzw. Defekten zu relaxieren. Entscheidend hierbei ist, dass durch den neu vorgeschlagenen Ansatz die periodische Wiederholung des Defekts vermieden werden kann. Der vorliegende Vorschlag liefert somit eine vollständig relaxierte, selbstkonsistente Beschreibung der Bulk-Phase sowie Oberflächen unter Verwendung korrelierter Wellenfunktionen. Dieser Ansatz ist in der Lage, langreichweitige elektrostatische Effekte auf z.B. lokale angeregte Zustände zu beschreiben, stellt aber zusätzlich zu einfachen elektrostatischen Modellen auch Abstoßungsbeiträge aufgrund des effektiven Einbettungspotentials bei kurzen Entfernungen sicher, so dass sowohl intramolekulare als auch intermolekulare Effekte adäquat berücksichtigt werden. Die neu entwickelten Methoden werden insbesondere auf organische Halbleitermaterialien wie Tetra-Aza-Peropyrene (TAPPs) angewendet, können aber auch zur Untersuchung lokaler Eigenschaften von gelösten Stoffen eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen