Excitonic effects in organic semi-conductors : an ab-initio study within the LAPW method / Peter Puschnig

• VerfasserIn: Puschnig, Peter
• Place / Publishing House: 2002
• Year of Publication: 2002
• Language: English
• Physical Description: getr. Zählung; graph. Darst.; 30 cm

ger: Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von Elektron-Loch (e-h) Wechselwirkungen auf die optischen Eigenschaften neuartiger organischer Materialien mit Hilfe von ab-initio Methoden zu untersuchen. Dazu is es notwendig die Bewegungsgleichung fuer die 2-Teilchen e-h Green's Funktion, die Bethe-Salpeter-Gleichung, zu loesen. Elektron-Loch Korrelationen werden beachtet, indem man die repulsive Austausch-, und die attraktive, statisch abgeschirmte direkte Wechselwirkung zwischen Elektron und Loch beruecksichtigt. The e-h Korrelationsfunktion wird mit Hilfe von Einteilchenwellenfunktionen dargestellt, die wiederum in der linearized augmented plane wave (LAPW) Basis entwickelt werden. Kristallines Si und LiF dienen als Testmaterialien fuer die beschriebene Methode. Es zeigt sich, dass die Einbeziehung von e-h Korrelationen die Uebereinstimmung mit experimentellen Absorptionsspektren in beiden Faellen verbessert. Als ein wichtiges Ergebnis wird die exzitonische Struktur sowohl von isoliertem als auch von kristallinem Polyacetylene diskutiert. Die Resultate zeigen, dass die Interketten- Wechselwirkung sehr starken Einfluss auf die Bindungsenergie der Exzitonen hat. Waehrend die Bindungsenergie fuer die isolierte Kette bei ca. 0.5 eV liegt, is sie fuer das kristalline Polymer sehr stark reduziert. Schliesslich wird die Druckabhaengigkeit der elektronischen, optischen und strukturellen Eigenschaften von Oligophenyl Molekuelkristallen untersucht. Diese Arbeiten sind Teil eines kombiniert experimentell-theoretischen Forschungsprojekts, wobei einige Publikationen zu diesem Thema dieser Arbeit als Appendix beigefuegt sind.

eng: The main objective of the present work is to investigate the role of electron-hole (e-h) correlations on the optical absorption spectra of novel organic materials by means of ab-initio techniques. This is achieved by solving the equation of motion for the two-particle e-h Green's function, the so-called Bethe-Salpter equation. Electron-hole correlations are taken into account in terms of a repulsive exchange interaction, and an attractive, statically screened direct interaction. The e-h correlation function is expressed in terms of one-electron wave functions, which are expanded in a linearized augmented plane wave (LAPW) basis. Bulk Si and LiF serve as test cases for our method. We find that the inclusion of electron-hole correlations considerably improves the agreement with experimental absorption spectra, both for Si as well as for LiF. As a main result, we discuss the excitonic structure of isolated as well as crystalline trans-polyacetylene. We notice that inter-chain interactions crucially alter the excitonic states in trans-polyacetylene. We find strongly bound exciton states for the isolated chain with exciton binding energies in the order of 0.5 eV. On the other hand, a crystalline arrangement of the polymer chains drastically reduces the strength of the electron-hole interaction. Finally, we study the pressure dependence of the elctronic, optical and structural properties of oligo-phenylene molecular crystals in order to investigate the role of intermolecular interactions. These studies are part of a joint experimental and theoretical research project, and a number of publications related to this topic are added as an appendix to this thesis.