We present a theoretical and experimental study on the lowest electronically excited states in quasi-one-dimensional molecular crystals. The specific calculations and the experiments are performed for the model compounds MePTCDI (N-N'-dimethylperylene-3,4:9,10-dicarboximide) and TCDA(3,4:9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride). The intermolecular interactions between nearest neighbors are quantum chemically analyzed on the basis of semi-empirical (ZINDO/S) Hartree-Fock calculations and a singly excited configuration interaction scheme. Supermolecular dimer states are projected onto a basis set of localized excitations. The nature of the lowest states is then completely explained as a superposition of molecular and low lying charge-transfer excitations. The CT excitations show a significant intrinsic transition dipole, which is oriented approximately parallel to the molecular planes and has a large component along the molecular M-axis. The exciton states in the one-dimensional stacks are described by a model Hamiltonian that includes interactions between three vibronic levels of the lowest molecular excitation and nearest-neighbor CT excitations. The three-dimensional crystal structure is considered by Frenkel exciton transfer between arbitrary molecules. This model is compared to polarized absorption spectra. With a small set of parameters, we can describe the key features of the absorption spectra, the polarization behavior, and the Davydov splitting. The variation of the polarization ratio for the various exciton states is analyzed as a direct qualitative proof for the mixing between Frenkel and charge-transfer excitons.

This work offers a concept to predict and comprehend the electronic excited states in regular aggregates formed of quasi-one-dimensional organic materials. The tight face-to-face stacking of the molecules justifies the idealization of the crystals and clusters as weakly interacting stacks with leading effects taking place within the columnar sub-structures. Thus, the concept of the small radius exciton theory in linear molecular chains was adopted to examine the excitonic states. The excited states are composed of molecular excitations and nearest neighbor charge transfer (CT) excitations. We analyzed the structure and properties of the excited states which result from the coupling of Frenkel and CT excitons of arbitrary strength in finite chains with idealized free ends. With the help of a partially analytical approach to determine the excitonic states of mixed Frenkel CT character by introducing a complex wave vector, two main types of states can be distinguished. The majority of states are bulk states with purely imaginary wavevector. The dispersion relation of these state matches exactly the dispersion relation known from the infinite chain. The internal structure of the excitons in infinite chains is directly transferred to the bulk states in finite chains. TAMM-like surface states belong to the second class of states. Owing to the damping mediated by a a non-vanishing real part of the wavevector, the wave function of the surface states is localized at the outermost molecules. The corresponding decay length is exclusively determined by the parameterization of the coupling and is independent of the system size. It can therefore be assigned as a characteristic quantum length which plays a vital role for the understanding of system-dependent behavior of the states. The number and type of surface states occurring is predicted for any arbitrary coupling situation. The different nature of bulk and surface states leads to distinct quantum confinement effects. Two regimes are distinguished. The first regime, the case of weak confinement, is realized if the chain length is larger than the intrinsic length. Both kinds of states arrange with the system size according to their nature. Derived from the excitonic states of the infinite chain, the bulk states preserve their quasi-particle character in these large systems. Considered as a quasi-particle confined in box, they change their energy with the system size according to the particle-in-a-box picture. The surface states do not react to a change of the chain length at all, since effectively only the outermost molecules contribute to the wavefunction. The second regime holds if the states are strongly confined, i.e., the system is smaller than the intrinsic length. Both types of states give up their typical behavior and adopt similar properties. / Diese Arbeit unterbreitet ein Konzept, um elektronische Anregungszustände in Aggregaten quasi-eindimensionaler organischer Materialien vorherzusagen und zu verstehen. Die dichte Packung der Moleküle rechtfertigt die Idealisierung der Kristalle bzw. Cluster als schwach wechselwirkende Stapel, wobei die führenden Effekte innerhalb der Molekülstapel zu erwarten sind. Zur Beschreibung der exzitonischen Zustände wurde das Konzept der 'small radius'-Exzitonen in linearen Molekülketten angewandt. Die elektronischen Zustände sind dabei aus molekularen (Frenkel) und nächsten Nachbarn 'charge-transfer' (CT) Anregungen zusammengesetzt. Die Struktur und Eigenschaften der Zustände wurden für beliebige Kopplungsstärken zwischen Frenkel- und CT Anregungen in Ketten mit idealisierten freien Enden für beliebiger Längen analysiert. Der entwickelte, überwiegend analytische Zugang, welcher auf der Einführung eines komplexen Wellenvektors beruht, ermöglicht die Unterscheidung zweier grundsätzlicher Zustandstypen. Die Mehrheit der Zustände sind Volumenzustände mit rein imaginärem Wellenvektor. Die zugehörige Dispersionsrelation entspricht exakt der Dispersionsrelation der unendlichen Kette mit äquivalenten Kopplungsverhältnissen. Die interne Struktur der Exzitonen der unendlichen Kette wird auf die Volumenzustände der endlichen Kette direkt übertragen. Der zweite grundlegende Zustandstyp umfaßt Tamm-artige Oberflächenzustände. Aufgrund der durch einen nichtverschwindenden reellen Anteil des Wellenvektors hervorgerufenen Dämpfung sind die Wellenfunktionen der Oberflächenzustände an den Randmolekülen lokalisiert. Die entsprechende Dämpfungslänge ist ausschließlich durch die Parametrisierung der Kopplungen bestimmt und ist somit unabhängig von der Kettenlänge. Sie kann daher als intrinische Quantenlänge interpretiert werden, welche von essentieller Bedeutung für das Verständnis systemgrößenabhängigen Verhaltens ist. Sowohl die Anzahl als auch die Art der Oberflächenzustände kann für jede Kopplungssituation vorhergesagt werden. Die unterschiedliche Natur der Volumen- und Oberflächenzustände führt auf ausgeprägte 'Quantum confinement' Effekte. Zwei Regime sind zu unterscheiden. Im Falle des ersten Regimes, dem schwachen 'Confinement', ist die Kettenlänge größer als die intrinsische Länge. Beide Zustandarten reagieren auf eine Veränderung der Kettenlänge gemäß ihrer Natur. Aufgrund ihrer Verwandschaft mit den Bandzuständen der unendlichen Kette bewahren die Volumenzustände ihren Quasiteilchen-Charakter. Aufgefaßt als Quasiteilchen, erfahren sie in endlichen Systemen eine energetische Verschiebung gemäß dem Potentialtopf-Modell. Oberflächenzustände zeigen keine Reaktion auf veränderte Kettenlängen, da effektiv nur die Randmoleküle zur Wellenfunktion beitragen. Es findet ein Übergang zum zweiten Regime (starkes 'Confinement') statt, sobald die Kettenlänge kleiner als intrinsische Quantenlänge wird. Beide Zustandsarten geben ihr typisches Verhalten auf und werden mit abnehmender Kettenlänge zunehmend ähnlicher.

We present a theoretical and experimental study on the lowest electronically excited states in quasi-one-dimensional molecular crystals. The specific calculations and the experiments are performed for the model compounds MePTCDI (N-N'-dimethylperylene-3,4:9,10-dicarboximide) and TCDA(3,4:9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride). The intermolecular interactions between nearest neighbors are quantum chemically analyzed on the basis of semi-empirical (ZINDO/S) Hartree-Fock calculations and a singly excited configuration interaction scheme. Supermolecular dimer states are projected onto a basis set of localized excitations. The nature of the lowest states is then completely explained as a superposition of molecular and low lying charge-transfer excitations. The CT excitations show a significant intrinsic transition dipole, which is oriented approximately parallel to the molecular planes and has a large component along the molecular M-axis. The exciton states in the one-dimensional stacks are described by a model Hamiltonian that includes interactions between three vibronic levels of the lowest molecular excitation and nearest-neighbor CT excitations. The three-dimensional crystal structure is considered by Frenkel exciton transfer between arbitrary molecules. This model is compared to polarized absorption spectra. With a small set of parameters, we can describe the key features of the absorption spectra, the polarization behavior, and the Davydov splitting. The variation of the polarization ratio for the various exciton states is analyzed as a direct qualitative proof for the mixing between Frenkel and charge-transfer excitons.