Self-interaction and charge transfer in organic semiconductors [Elektronische Ressource] / von Thomas Körzdörfer

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StephanagDr.teractionBaandMatthiascunghargeertransferhinhorganicGutacsemiconductorsagGenehmigtetobAbhandlungquiums:zurorenErlangung1.desProf.ak2.ademProf.ischmidthenter:GradesLeineinesEinreicDoktors2.der2009NaturwissenscKhaftenDezem(Dr.Self-inrer.innat.)yreuthimGutacFter:acDr.hKümmelPhGutacysikter:derDr.FScakultät3.fürhMathematik,Prof.PhManfredysikTundderInformatikhder:UnivOkersitäterBaTyreuthdesvolloon18.ThomasbK2009örzdörfergebDr.aliasJones,shoJonescksHenryme.Jr.I'mIndianaaNothingscientist.teractionIanalyzeTheefascinatingdiproptoertiesproblemsofThisorganicextendedmolecularforsemiconductorsparts.pabasicvconcenedothepredictingwdissoaisyerformancefortheathoroughlynewparticularclasstime-depofofelexelctroniwhiccdensitdevicesthatsucofhofasionizationorganicsearclighmonlyt-emittingvdioItdes,fromtransistors,oforobtainedsolarofcells.thesisDespiteximationsaneinferiorineciencyIasnewlycomparedductiontoocorganicommonlyximationsusedfunctional.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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K?mmelSelf-indesteractionManfredandyreuthcScharge:transfer2009inter:organicter:semiconductorshGenehmigtederAbhandlungerzur18.ErlangungindesGutacakDr.ademGutaciscDr.hen3.GradesProf.einesTDoktorshderOkNaturwissenscThaftenollo(Dr.brer.orennat.)Baim1.FhacProf.hStephanPh2.ysikhderProf.FMatthiasakult?thmidtf?rGutacMathematik,ter:PhDr.ysikLeinundagInformatikEinreicderungUniv2.ersit?ttobBa2009yreuthagvKonquiums:ThomasDezemKer?rzd?rfergebHenryNothingIndianashoJr.cksDr.me.Jones,I'maliasaJonesscientist.problem,AbstractIThethefascinatingropropertiestheofoforganicismolecularmolecularsemiconductorsthepaPvresults.edtratesthefwaccurateaciation,yinforofadangernewinclasssystemsofendenelself-inetendctroniledchdevicesysucself-inhdierenasorganicorganicplighht-emittinguseddioarietdes,istransistors,self-inorinsolarfromcells.commonlyDespiteproantoinferiordissertationeciencytroasIcompareddevtoincnommonlymolecularusedtosilicon-basedThistecofhnologies,theorganicrosemiconductorsmapromiseittheysadvtheenetcofufullytheexibleelectrondevicesprofortolarge-areafordisplaforysappliedandspanningsolarorganiccells,thatprinretedarytraandnensistorsofasundloerformaw-costfunctionalsradioFinallyfrequencyalloidencommonlyticfunc-ationThis(RFID)totags,esdisplaDFTysT).forinsighelectronicpresenbforoanoks,andandedispcosableameasuringininstrumenapprotsso-cafhange-correlationoorkrthemedicalteraction,diagnosis.oneHence,serioustheusedinevAsestigationresultofworganicdemonstratedmolecularpsemiconductorsdecisivhaseemergederformanceasapproainvibranetertieseldlosemiconductors.ftruedevofelopmentials,tectra,bcothInianself-inindustrynewandcom-inyacademia,teractionspanningducedaawideofrangemolecules,ofhains,subsemiconductors.jectsshofrompphthatysics,freeccanhemistryfor,tandablesmaterialsthsciencengtomisinengineeringresultsandfunctionals.tecreasonshnologyarying.ceTheoreticaldensitphdiscussedywsithiscstrategiesitostsycanapproconexctributefortointhisulativprogressdividedbreeyIdevshortelopinginmethoitsdsextensionthatartallovideswintoteractiondetermineatheedelectroniccorrectionpropgivertiestrooftheorganictheirsemiconductors,frompublicationsrstteractionpinrinciplesmolecularanddthareusartdeepusedeximationsntheourlknoexcwledgefunctional.ofwthconceneonunderlyingproblemelectronicself-inprowhiccessesisinoforganicmostelectronicproblemsdevices.commonlyTheappcalculationximativofdensitthefunctionals.electroanjoricopropthisertiesork,ofismothatlteractioneclaualaresemiconductorslissuesforapseriousofcthallenximativgfunctionalsepredictingtoeltheoreticalctroniphpropysicistsofandmocechemists.larTThisypicallyparticularly,fororganiccalculationsemiconductorionizationmoleculesotenemplophotoyspsevdissoeralandhharge-transferundredscesses.ofsearcelectrons.forFsolutionorthesystemsteractionofathatconceptsize,correctingapproacmonlyhesdensitthatfunctionalswself-inorkiswithtromoanddeltoHamiltoniansvareytsystems,ypicallysmallnotextendedaccuratecenoughandinmolecularpredictiItngfurthermanwnytheimperformanceortanfunctionalstaelec-nottronicfrompteractionrovpstronglyerties.diHoerenwsystemsevobserver,ofsolvingterest,theusmantailiy-particletheScofhr?terpretationdinger-equationthebobtainedythoseemploTheyingerlyinghighlyforaccuratevpperturbationntheoryofapproacusedhesyisareoftenthoroughlynthisumericallyork.to,othesisexpvidesensithatvweanalyzetoreliabilitbofeusedconsideredximationsastheahange-correlationcontionalvparticularenienoftterest.alternativcume.eHence,isdensitinythfunctionalparts.theoryart(DgivFT)anaturallyinarisesductionastotheandmethotime-depdtof(TDDFcPhoice.IHoprowfurtherevtser,toalthoughself-ininproblem,theorytsDFTnewlyyieldselopanconceptexacttheformofu-teraction,lationesofinquanductiontumtomecpublications,hanics,discussesthebasicqualitFinallyythoffourtheoresultsself-inobtainedandfromharge-transferDFTexcaedlsystemsculationsninorganicpracticesemiconductorsstronglycollecteddepPendsIonI.theSelbstwKurzfassungeitDieHalbleitermolek?lenfaszinierendenRolle,Eigenscerl?ssigkhaftenmathematiscorgderanionscundherummolekularereHalbldieeiterinbildenFdieektren,Grundlageeif?rkeinesneuetesten.KlassetersucaneilelektroniscechenEinf?hrungBauteileninwieLinieethworganiscavorganiscvhensferprozessen.Leucanheittdiozurden,erwTSystemenransistorenelcubndtnisseSolarzellen.inTundrotzhriftihrerGrundlagendeutlickhderscdehleceilhhselwirkungskterenDieEzienzsicgegender?bverderherkigensc?mm-derlicerwhhselwirkungedientialen,Silizium-Tgecdashnologienselbstwvorrelations-FerspricerdenhZteinderhselwirkunEinsatzhvtefuoneorganiscerhenvMaterialienlaubdieDicEnundt-erarbwichlie?licklunliegendengxpvausonoppvkumollTexiblen,kurzegrod??cWhigenProblemDisplaKysgundumeriscSolarzellen,MethogedrucationenktenDenTzumransistoreninalsIRadioorliegendeFescrequencyinIdendemticationec(RFID)-Etik?hnlicettenendeteninfunktionalen.derhnWhenarenlogistivkHalbleitern,spieltDispladerysFf?rSelbstwelektronisczen-heesondereB?chnherIonisationspundelektronen-gedrucundktratenGr?ndeEinersagenwheg-Messger?tenhselwirkungsfreienf?rAustauscdsindieundmediziniscdieserheEinzelnenDiagnos-L?sungtik.hselwirkungsproblematikDieKUstwnstersucgewhhungDicorganiscvhereinemolekularerheHalbleiterendet.bietetadamiterdeneinhlagen,inesteressandietesvFtefunktionaleneldtesoablenwdabohlErkferden?rgendieieindustriellehenAnj?ngstwtellendungtenalseiauchhorganiscfkl?ren.?redieinGrundlagenforscgegliedert.hgibtungininDFTPzeitabh?ngigenhterungysik,EinChemie,inMaterial-SelbstundundIngenieurwissensceinehaften.hDieteTheoretiscundheHinPhvysikundkdieanninzuIdieserhlussEnPubliktwSelbstwicundklunghenbeileitragenabh?ngig.indemvsieArbMethobdenh?ftigtbhereitstellt,ersterwmitelcProblemheSelbstwdiehselwirkungBgewerehcerwhnDicungte-derBeielektroniscBerechenungEigenscelektronischaftenEvhaftenononorganischenhenmithilfeHalbleitermaterialienDFTerm?glicdiehreiheittvundendetendamitunktionaleerlaubtondasecVeineerst?ntralednisinsbderf?rzugrundeliegendenBerecProzesseungzuonvotenertiefen.PhotoAusspSicDissoziations-hLaduntsderntheoretiscDiehenf?rPhVysikvstelltnicdietBerecechnN?herungenungdasderh-KelektroniscunktionalhendabEigenscvielf?ltighaftenwvinonArbMolek?lenimmitdiskutiert.einigenurhderundertecElektronenwirdeneuesionzeptneSelbspeceziellge-Herausforderungorrekturdar.?F?rnlicSystemevdieserendeterGr??ehistnktionalederorgestelltZugangauf?RbieranMoangewdell-HamiltoniansDar?bf?rhingewu?hnlicwhStrategiennicorgeschwtheaus-er-reicen,hendZuvexakt.eitDieonL?sunghderf?rVielteilcestimmhSystemeeObservnzu-ScDiehr?eidingergleiceitetenhennungwmithilfescquanhten-utztmecdhanisczugrunde-herelektroniscSt?rungsthProzesseeoeinemrieeerimenhingegenunisthoftmalsSystemnzwumeriscuoreszierendenhelektronisczugekteueltener.henDieseaufzu-KDieseonstella-ulativtionDissertationsscf?hrtistaufdreidieeileDicThItefunktionaltheorieeine(DFT)Einf?hrungalsdieMethoderdeunderihrerWErwahl.iOb(TDDFT).weitergehendeohlblicdieeDFTdasimderPrinwziphselwirkungeinedesseneorrektur,xakteZusammenfassungquanwictenmectihaniscshenFhenormnulierunghendarstellt,tergr?nistderinorgestelltenderdikPraxiseinedieinQualit?tPublikdersindmithilfeTderIDFTdargestellt.erzieltenAbscErgebnissebildenstarkviervationenonThemaderecN?herungorrekturf?rLadungstransferdasorganiscsog.Halbleitermolek?lenAustauscTh-KIorrelations-FI.unktional.Contents.I..Intro.duction.and.Background.1.Casida'sDensit19y.functional2.2.2.theo.ry.1.1.1..In.tro.ductionteraction.........32.33.s.t.......Excitations.....Visualizi...The...teraction.and.ction...P...oten.........SIC-GOEP.......th....1Bac1.2..The.K.ohn-Sham.scrheme..1.6.3..............2..y.....23.in.Man...25.......2.2.1........timized.(GOEP).K......2SIC-GOEP1.3..The.self-in.teractionoproblem....34.teraction.....Time-dep.y.ry.........15.................16.lin.onse.u....4excitations1.4..Appro.ximate.exc.hange.correlation18functionelectronica.l.s......I..23.m.dening...........One-electron.the.ariance.24.self-in.eects4.1.4.1..SemiloSelf-incal(SICs)fu.nctionals..........concept.and...........generalized.e.sc...30.SIC-GOEP.............Lo......5.1.4.2..Orbital.functionals..Prosp.Lo...........The.l...........36.enden.densit.functional.eo..................6.1.4.3.1.6.1.Hybridkgroundfunctionals................................1.6.2..from.ea.resp.and.eq.ations.......16.Charge-transfer..8.1.5..Prop.erties.of.the.exact.functional........1.6.4..ng.excitations.....................I.Insights.Self-interaction.2.1..a.biguit.in.self-in9.1.5.1..K.ohn-Sham.DFT.for.fractional.particle.n.um.b2.1.1.ersself-in.and.unitary.v.problem...2.1.2..y-electron.teraction.relaxation....9.1.5.2..The.gap-problem2.2..tera.corrections.........................28.The.of.erdew.Zunger...................2811A1.5.3.opStep-likeectivepstructuretialofhemethe.exc.h.a2.2.3.nohn-Shamg.e-correlation.p.oten.tial...............12.1.5.4.2.2.4.Self-incalizedteraction.and.the.deriv.ativ.e.discon.tin.uit.y..........2.2.5..ects.f.calized........13.1.5.5..The.ph.ysical.in.terpretation2.2.6.oforbitalKeohn-Shamf-ineigenerrorv.alues.................141.6.P4.3..GOEP59Methoofdology.39ure3.1..SolvingTheothe.GOEPinequationand.......onse.photo.rinciples.ectra.....orbi.......the...their...I.w.optimized.eigenvalues:.dono...Photo.....4.4.39dy3.2..Fendixractionalteractiono.ccupation69n.um.b.ers.inwGOEP......of.....ckno.85.ications.Systems:.Co.co.P3..from.o.in.ad:.....53.n40organic3.3..Lo.calizin.g.transformationsquenc.organic.......63.A.1..l.in.......The.KS-KLI...............A.3..solv.condition..........42A.4.3.3.1.functionalsLo.calization.and.self-in.teraction77.81.l.rung.I..Electrical.Molecula.P.of.K.P2..and.p.to.sp.ohn-S.case.semiconducto.rescence.o.r.rst42.3.3.2..Common.lo.calization.sc4.3.hemeselectro.sp.of.semiconductors...............54.Fluorescence.hing.an.donor-acceptor.ad...........Bibliography44App3.3.3.69TheTheenergy-minimizingtaunitaryself-intransformationerror.KS-KLI.LOC-KLI...........A.2..fail.of....45.3.3.4..Lo.calized.orbitals.and.exact.exc.hange..........72.Ho.to.e.symmetry................47.4..Intro.duction74toListtheusedpublicationsand49abbreviations4.1..P.olarizabiliti.e.s.of.molecular.c.hainsA.wledgment.List.pub.ications.Erkl?.87.I.Publ.P1..Resp.of.r.The.o.er.Self-Interaction.rrected.ohn-Sham.ry.Self-interaction.rrection.the.eective50otential4.2.WhenDissotrustciationelectronofectradiatomicKmoleculesham.The.of.rganic.rs.Fluo.quenching.an.rganic.r-accepto.dy.A.p.study.IntroPandaductionrtBackgroundI.

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