FWF - Reliably - Zuverlässliche Vorhersage der elektronischen Eigenschaften von SAMs

Selbstassemblierte Monolagen (SAMs) organischer Moleküle auf (Edel)metallen sind schon seit geraumer Zeit im Zentrum des Interesses multidisziplinärer Forschungsaktivitäten. Dabei sind deren elektronische Eigenschaften von besonderer Bedeutung, vor allem dann wenn es um ihre Anwendung im Bereich der organischen und molekularen Elektronik geht. Außerdem stellen Sie als experimentell besonders umfassend und zuverlässig charakterisierte Metall/organische Grenzflächen ideale Testsysteme für eine Weiterentwicklung der entsprechenden theoretischen Methodik dar. In den letzten Jahren ist es gelungen, umfassende Einsichten in den Zusammenhang zwischen chemischen Struktur von SAMs und deren elektronischen Eigenschaften zu gewinnen. Der Versuch durch Simulationen quantitativ zuverlässige Filmeigenschaften vorherzusagen scheiterte dabei allerdings oft einerseits an der vielfach im Experiment nur schwer vermeidbaren Unordnung innerhalb der Filme. Andererseits leiden die - aufgrund der Systemgrößen typischerweise im Rahmen der (semi)lokalen Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführten Simulationen - an verschiedenen intrinsischen Problemen. Ziel des vorliegenden Projekts ist eine genaue Analyse und Korrektur dieser Unzulänglichkeiten: Dazu werden wir einerseits Moleküldynamikrechnungen durchführen um den Einfluss von Temperatur, fehlerhafter Packung und nicht perfekten Substratoberflächen auf die SAM-Struktur zu simulieren. Mit Hilfe der so gewonnen strukturellen Daten lassen sich dann weiterführende Berechnungen der elektronischen Struktur der Grenzflächen durchführen um um die Rolle struktureller "Fehler" zu charakterisieren. Parallel dazu werden wir Strategien entwickeln, um den Einfluss der Hauptprobleme (semi)lokalen DFT auf die Simulationsergebnisse zu minimieren. Dazu werden wir Methoden testen, die eine möglichst quantitative Beschreibung von van der Waals Wechselwirkungen erlauben. Außerdem werden wir unter anderem so genannte "post-DFT" Methoden und Hybridfunktionale evaluieren, die entweder das "band-gap" Problem von DFT und/oder die in DFT fehlende Beschreibung der Polarisation des Metalls durch langreichweitige Korrelationseffekte zumindest eingeschränkt behandeln können. Die geplante Forschung wird in enger Kooperation mit internationalen und nationalen Partnern durchgeführt werden, die entweder in der theoretischen oder experimentellen Charakterisierung Metall/organischer Grenzflächen tätig sind. Dies ist für das Projekt von besonderer Bedeutung, da es einerseits die Behandlung von Fragestellungen erlaubt, die in ihrer Breite in einer Arbeitsgruppe nicht möglich wären und uns andererseits die Möglichkeit gibt, die erzielten Ergebnisse durch den Vergleich mit Experimenten zu verifizieren