Elektronische Kopplung und Transferprozesse in Donor-Brücke-Akzeptor-Systemen

Abstract

Donor-Brücke-Akzeptor(DBA)-Molekülen kommt eine wichtige Bedeutung beim Design von funktionellen Einheiten in der Molekularen Elektronik zu, die u.a. das Ziel verfolgt, Ladung oder Energie unter kontrollierbaren Bedingungen zwischen unterschiedlichen Zuständen eines 'molekularelektronischen Bauelementes' zu transferieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird mittels theoretischer DBA-Modellsystemen die Abhängigkeit von Transferprozessen im Hinblick auf unterschiedliche chemische Strukturelemente (Kopplungsparameter, Orbitalenergie-Konstellationen) sowie Reservoireinflüsse untersucht, wodurch gezielt Abschätzungen über die praktische Verwendbarkeit von Molekülsystemen angestellt werden können. Ein besonderer Augenmerk liegt dabei auf der Übernächsten-Nachbar(NNN)-Wechselwirkung in kettenartigen Brückensystemen mit zickzackartiger Struktur (z.B. Molekülklasse der Alkane). Methodisch wird die Transferrate näherungsweise durch die Reduktion auf ein effektives Zwei-Niveau-System und exakt durch explizite Reservoirankopplung berechnet. Letztere Methode wird mit Hilfe des Greenschen-Funktions(GF)-Formalismus auf Pole beliebiger Ordnung und beliebiger (energieabhängiger) Reservoirankopplung verallgemeinert. Die qualitativen Eigenschaften der behandelten Modellsysteme sind einerseits resonanzartige Verstärkungen und andererseits antiresonanzartige Minima in der elektronischen Kopplung bzw. Transferrate. Ersteres tritt im Tunnelregime in der Nähe der Brückeneigenwerte auf, wohingegen letzteres Verhalten durch quantenmechanische Interferenzeffekte bei mehr als einem möglichenTransferpfad (NNN-Wechselwirkung) zustande kommt. Betrachtet man die Abhängigkeit der Transferrate von der Anzahl der Monomereinheiten der Brücke, so können bereits kleine NNN-Wechselwirkungen im Zusammenspiel mit der NN-Wechselwirkung nichtmonotone Effekte hinsichtlich der monoton fallenden Abstandsgesetze bei reiner NN-Wechselwirkung bewirken.

Donor-bridge-acceptor (DBA) molecules are playing an important role in the design of functional units in the field of Molecular Electronics which aim to transfer charge or energy under controllable conditions between different states of a molecular circuit. Within the present thesis the dependence of transfer processes in theoretical DBA model systems is studied in view of different chemical structural elements (coupling parameters, orbital energy constellations)as well as reservoir influences. Therefore an estimation on the practical use of certain molecular systems is possible. In particular the next nearest neighbour (NNN) interaction is studied in detail within chain-like bridge systems with zigzag structure (e.g. alkane molecule systems). The transfer rate is calculated both approximately via reduction to an effective two-level system and exact by considering explicit reservoir coupling. The last method is generalized via Green Function (GF) technique to poles of higher order and any (energy dependent) reservoir coupling term. The qualitative attributes of the studied model systems are on the one hand resonance-like peaks and on the other hand antiresonance-like anti-peaks in the electronic coupling or transfer rate. The first feature appears in the tunnelling regime near to the bridge eigenvalues, the last feature results due to quantum mechanical interference effects if there is more than one possible pathway for the excitation due to NNN interaction. The dependence on the number of monomer units shows that already small NNN interactions generates, in cooperation with the NN interaction, non-monotonic effects for the monotone distance laws of the pure NN interaction case.