Electron dynamics in optically excited systems: Molecules, solids and interfaces
Creators: name: Krenz, Marvin
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist eine fest etablierte Methode in Chemie und Physik zur Berechnung von strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften einer Vielzahl von Materialien. Auf der DFT aufbauende Methoden, wie beispielsweise die constraint DFT, ermöglichen es die Eigenschaften von angeregten Systemen zu betrachten. Ein selteneres Anwendungsgebiet ist die Berechnung von zeitabhängigen Eigenschaften wie Zerfalls- oder Transferzeiten, da diese kompliziert und aufwendig ist. Der stetige Zuwachs an Rechenleistung macht es jedoch möglich solche Eigenschaften in immer mehr Systemen zu berechnen. Eine Option solche Eigenschaften zu simulieren sind DFT basierte Molekulardynamiken (MDs), und in Erweiterung die nicht-adiabatischen MDs (NAMDs). In dieser Arbeit werden MDs und NAMDs zusammen mit weiteren Methoden verwendet, um bestimmte Eigenschaften von drei optisch angeregten Systemen bei verschiedenen Temperaturen zu bestimmen. Das Oxiran Molekül wird auf die photochemische Zersetzung in Bezug auf die Lebensdauer der angeregten Zustände, ihr Einfluss auf die Reaktion, sowie auf die Reaktionsprodukte untersucht. Die Anteile der Produkte sowie die Lebensdauer der Zustände entsprechen experimentellen und theoretischen Befunden. Der Lithiumniobat Kristall wird auf die Polaronenbildung untersucht. Die berechnete Bildungszeit liegt zwischen 50 und 75 fs, was am unteren Ende der experimentell gemessenen Werte liegt. Die Bildungszeit ist stark von der Phase der Atmungsmoden des Sauerstoffs abhängig. Im Si(111)-Tetrazen System wird der Transfer eines Triplets vom Tetrazen zum Silizium untersucht. Das Einbringen eines Defekts in die passivierende H Schicht ist notwendig um den Transfer zu ermöglichen, wobei dieser durch ein levelcrossing des dangling bond Si Zustands zustande kommt. Die Transferzeit ...
description: The density functional theory (DFT) is a well established tool in chemistry and solid state physics for the calculation of structural, electronic and optical properties for a wide variety of materials. By expanding on the DFT by adding constraints to the density or occupation, one is able to describe excited system properties. A less explored area are time dependent system properties like decay or transition times, as the calculation of dynamic properties is generally more complicated and computationally expensive as for static ones. The recent increase of computational power, however, makes it possible to look at these properties for an ever growing number of systems. A possibility to simulate dynamic properties are DFT based molecular dynamics (MDs), and by extension the non-adiabatic MDs (NAMDs). In this thesis both MDs and NAMDs as well as further methods are used to determine specific dynamic properties in three optically excited systems at different temperatures. For the oxirane molecule the photochemical decomposition is studied with the focus on the excited state life times, their influence on the reactions as well as the reaction yields. Reaction yields and lifetime are in good agreement with both theory and experiment. The lithium niobate crystal is examined in respect to the bound polaron formation time and its formation mechanism. The formation time, calculated to be between 50 and 75 fs, is on the lower end of experimental values. The formation time was found to be strongly dependent on the phase of the oxygen breathing phonon modes. In case of the Si(111)-tetracene interface the triplet exciton transfer from the tetracene to the silicon is studied. The introduction of a defect to the passivating H layer proved to be vital for the transfer by enabling a level crossing of the Si dangling bond state via an orbital rehybridization. The transfer time ...