Intermolecular energy and electron transfer by Non-Orthogonal Configuration Interaction

Abstract

L'objectiu principal d'aquesta investigació és millorar la nostra comprensió de les estructures electròniques en molècules i materials, amb un enfocament específic en abordar els desafiaments plantejats pels estudis teòrics de transferència d'energia i electrons inter i intra-moleculars en materials que tenen el potencial d'augmentar l'eficiència de les cel·les fotovoltaiques o les reaccions fotocatalítiques. La tesi cobreix els següents temes; 1) Aprofundiment en els mètodes tradicionals d'estructura electrònica per entendre les seves fortaleses i limitacions, particularment en capturar les correlacions electròniques que juguen un paper fonamental en la determinació de propietats com les interaccions magnètiques. 2) Exploració del potencial d'aproximacions no ortogonals, especialment el mètode Non'Orthogonal Configuration Interaction (NOCI), com una alternativa als mètodes tradicionals. Avaluar la seva capacitat per proporcionar una descripció més precisa i completa de les estructures electròniques; 3) Ampliar, refinar i validar el programa GronOR per oferir un mètode robust i eficient per a càlculs d'estructura electrònica basats en orbitals no ortogonals. Aquesta eina ha d'abordar alguns dels desafiaments plantejats pels mètodes existents i aspirar a proporcionar prediccions més precises de les propietats moleculars i de materials; 4) Aplicar els mètodes desenvolupats, particularment GronOR, a sistemes moleculars reals per provar la seva eficiència i fiabilitat. L'objectiu és demostrar la practicitat i avantatges dels mètodes proposats sobre els mètodes tradicionals.

El objetivo principal de esta investigación es mejorar nuestra comprensión de las estructuras electrónicas en moléculas y materiales, con un enfoque específico en abordar los desafíos planteados por los estudios teóricos de transferencia de energía y electrones inter e intra-moleculares en materiales que tienen el potencial de aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas o las reacciones fotocatalíticas. La tesis cubre los siguientes temas; 1) Profundización en los métodos tradicionales de estructura electrónica para entender sus fortalezas y limitaciones, particularmente en captura las correlaciones electrónicas que juegan un papel fundamental en la determinación de propiedades como las interacciones magnéticas. 2) Exploración del potencial de enfoques no ortogonales, especialmente el método Non-Orthogonal Configuration Interaction (NOCI), como una alternativa a los métodos tradicionales. Evaluar su capacidad para proporcionar una descripción más precisa y completa de las estructuras electrónicas; 3) Ampliar, refinar y validar el programa GronOR para ofrecer un método robusto y eficiente para cálculos de estructura electrónica basados en orbitales no ortogonales. Esta herramienta debe abordar algunos de los desafíos planteados por los métodos existentes y apuntar a proporcionar predicciones más precisas de las propiedades moleculares y materiales; 4) Aplicar los métodos desarrollados, particularmente GronOR, a sistemas moleculares reales para probar su eficiencia y fiabilidad. El objetivo es demostrar la practicidad y ventajas de los métodos propuestos sobre los métodos tradicionales.

The overarching goal of this research is to enhance our understanding of electronic structures in molecules and materials, with a specific focus on addressing the challenges posed by the theoretical studies of inter- and in-tramolecular energy and electron transfer in materials that have the potential to increase the efficiency of photovoltaic cells or photocatalytic reactions. The thesis covers the following topics; 1) Deepening of traditional electronic structure methods to understand their strengths and limitations, particularly in capturing electronic correlations which play a pivotal role in determining properties like magnetic interactions. 2) Exploration of the potential of non-orthogonal approaches, especially the Non-Orthogonal Configuration Interaction (NOCI) method, as an alternative to traditional methods.Assess their ability to provide a more accurate and comprehensive description of electronic structures; 3) Extent, refine, and validate the GronOR computer code to offer a robust and efficient method for electronic structure calculations based on non-orthogonal orbitals. This tool should address some of the challenges posed by existing methods and aim to provide more accurate predictions of molecular and material properties; 4) Apply the developed methods, particularly GronOR, to real-world molecular systems to test their efficiency and reliability. The aim is to demonstrate the practicality and advantages of the proposed methods over traditional ones.