In der vorliegenden Arbeit werden elementare, plasma-relevante Ion-Molekül-Reaktionen in der Gasphase mit einer Guided Ion Beam (GIB)-Apparatur untersucht. Es werden Geschwindigkeitsverteilungen und absolute integrale Reaktionsquerschnitte für die Produkte der Reaktionen 40Ar+/36Ar+ + 40Ar und N2+ + CH4/CD4 für Stoßenergien zwischen 0.1 und 3.5 eV angegeben. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Dynamik der reaktiven Stöße zu. Bei dem resonanten, symmetrischen Ladungstransferprozeß können 40Ar+-Primär- und Produkt-Ionen aufgrund ihrer unterschiedlichen Flugzeit getrennt nachgewiesen werden. Bei der quasi-resonanten, nicht-symmetrischen Reaktion wird ein isotopenselektierter 36Ar+-Ionenstrahl verwendet, um den Nachweis von 40Ar+-Produkten nicht zu beeinträchtigen. Die Geschwindigkeitsverteilungen dieser Produkte zeigen einen zusätzlichen Anteil von Ionen, die im Schwerpunktsystem vorwärts gestreut werden. Alle Ausgangskanäle der Reaktion N2+ + CX4 (X = H, D) wurden experimentell nachgewiesen. Aus den gemessenen integralen Querschnitten ergibt sich CX3+ als das häufigste Produkt mit einem Anteil von über 85%. Protonierte Produkte werden gegenüber deuterierten bevorzugt. Geschwindigkeitsverteilungen zeigen, daß die Produkte sowohl aus dem Zerfall eines langlebigen Zwischenkomplexes als auch durch einen direkten Prozeß gebildet werden. Oberhalb einer Stoßenergie von 0.5 eV überwiegt der direkte Prozeß. Es wird kein Unterschied im Reaktionsmechanismus von protonierten und deuterierten Produkten gleicher Art festgestellt.

The work discusses the development of molecular electronics based on the possibility of the usage of anorganic quantum dots and organic molecules as basis material. Of special interest are the properties of semiconductor quantum dots and their modification due to the coupling of quantum dots from different materials. Eventually these are proper candidates to avoid the fast recombination of excitons which is a problem in many organic photovoltaic materials, by local separation of charge carriers. Another materials class investigated are the so called charge transfer dimers. On the way to usable molecular building blocks switching and rectification behavior are important properties, therefore they were of special interest in the investigation. Especially the usage of charge transfer materials in rectification was already suggested in the 70’s, but could be realized till now only with a quiet limited success. Already around the millennium it was shown that a too strong coupling between the components leads to a resymmetrization of the I-V-characteristics. For all systems the electronic structure was investigated by means of density functional theory. Additional the charge transport in between gold leads was computed based on non equilibrium Greens functions. For the system of coupled quantum dots it is shown how the combination of several gates can be used to adjust the transport properties. This work shows that the rectification effect within weakly coupled charge transfer systems stays also small because also in this case a resymmetrization of the I-V-characteristics takes place.:1 Introduction 2 Molecular Electronics 3 Theoretical background 4 Computational details and software packages 5 Modeling 6 Results and Discussion 6.1 Quantum dots 6.2 Transport through coupled quantum dots 6.3 Charge transfer dimers 6.4 Transport through charge transfer dimers 7 Conclusion 8 Outlook Acknowledgement List of Figures List of Tables Bibliography List of own Publications / Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der molekularen Elektronik und insbesondere mit der Prüfung der Verwendbarkeit von anorganischen Quantenpunkten und organischen Molekülen für diesen Bereich. Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien besitzen eine grosse Bandbreite von Eigenschaften. Es wird untersucht, wie die Eigenschaften durch die Kopplung von Quantenpunkten unterschiedlicher Materialien modifiziert werden können. Eine Idee besteht in der lokalen Trennung von Ladungsträgern um die schnelle Rekombination von Exzitonen zu vermeiden, welche in organischen Solarzellen häufig ein Problem darstellt. Als weitere Materialklasse werden molekulare Ladungstransferdimere untersucht. Auf dem Weg zu nutzbaren Bauelementen sind das Schalt- und Gleichrichtverhalten wichtige Eigenschaften, daher sind sie von besonderem Interesse. Insbesondere die Frage des Ladungstransfers in Bezug auf das Gleichrichten wurde schon in den 1970ern vorgeschlagen, konnte aber bisher immer nur mit begrenztem Erfolg realisiert werden. Schon um die Jahrtausendwende wurde gezeigt, dass Systeme mit einer zu starken Kopplung zu einer Symmetrisierung der Strom-Spannungs-Kennlinie führen. Bei beiden Systemen wird jeweils die elektronische Struktur im Sinne der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Zusätzlich wird jeweils der Ladungstransport zwischen Goldkontakten mittels Nichtgleichgewichts-Greenschen Funktionen berechnet. Für die Systeme gekoppelter Quantenpunkte wird gezeigt, wie die Transporteigenschaften mittels Gatespannungen eingestellt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass es auch im Fall schwach gekoppelter Ladungstransferdimere zu weitgehend symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinien kommt und es auch für diese Systeme nur zu einem schwachen Gleichrichtverhalten kommt.:1 Introduction 2 Molecular Electronics 3 Theoretical background 4 Computational details and software packages 5 Modeling 6 Results and Discussion 6.1 Quantum dots 6.2 Transport through coupled quantum dots 6.3 Charge transfer dimers 6.4 Transport through charge transfer dimers 7 Conclusion 8 Outlook Acknowledgement List of Figures List of Tables Bibliography List of own Publications

Hybride anorganisch/organischen Systeme können die individuellen Vorteile, etwa eine hohe elektronische Mobilität in anorganischen und starke Licht-Materie-Wechselwirkung in organischen Halbleitern, kombinieren. Ein sinnvoller Nutzen dieser Heterostrukturen benötigt ein umfassendes Verständnis der Grenzfläche. Zwei Grenzflächenprozesse werden in dieser Arbeit behandelt. Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) wird zwischen einem InGaN/GaN Quantengraben und dem Polymer Cn-ether PPV untersucht. Trotz des hohen internen elektrischen Feldes im Quantengraben, ist effizienter Energietransfer möglich, solange andere nicht-strahlende Zerfallsprozesse unterdrückt werden. Dies wird mittels temperaturabhängiger PL und PLE Spektroskopie gezeigt. PLE demonstriert eine eindeutige Erhöhung der Emission des Akzeptors. Bei höheren Temperaturen dominieren nicht-strahlende Zerfallskanäle. Ladungstransfer wird zwischen MoS2 und dem Molekül H2Pc untersucht. Die Kombination mit organischen Molekülen kann die Funktionalität von MoS2 erweitern. Photoelektronenspektroskopie (PES) zeigt einen Typ-II Heteroübergang an der MoS2/H2Pc Grenzfläche. Angeregte Elektronen gehen von den H2Pc Molekülen in die MoS2 Monolage über, wie mittels einer Verkürzung der PL Lebenszeit von H2Pc gezeigt wird. Photostrommessungen demonstrieren zudem, dass die transferierten Elektronen zu einer erhöhten Photoleitfähigkeit beitragen. Zusätzlich werden auch einzelne 2D Übergangsmetall Dichalkogenide (TMDCs) untersucht. Um TMDCs von hoher Qualität herzustellen, wurde intern eine Wachstumsmethode entwickelt. Mittels PL Spektroskopie werden die so hergestellten Schichten charakterisiert. Die Vielseitigkeit der Methode wird anhand des Wachstums von Mischkristallen und Heterostrukturen gezeigt. Der Einfluss der dielektrischen Funktion des Substrates wird erforscht. Durch die Kombination von PES und Reflexionsmessungen kann eine gleichzeitige Abnahme sowohl der Bandlücke als auch der Exzitonen Bindungsenergie gezeigt werden. / Hybrid inorganic/organic systems can combine the advantages of both materials such as high carrier mobilities in inorganic semiconductors and large light-matter interaction in organic ones. In order to benefit from these heterostructures, a thorough understanding of the interface is needed. Two processes occurring at the interface are looked at in this thesis. Förster resonance energy transfer (FRET) is studied between a single InGaN/GaN quantum well and the polymer Cn-ether PPV. Despite the large internal electric fields in the quantum well, efficient FRET is possible as long as other non-radiative decay channels are suppressed. This is shown by temperature dependent PL and PLE spectroscopy. PLE spectra clearly demonstrate an enhanced light emission from the acceptor. At elevated temperatures, non-radiative decay pathways become dominant. Excited-state charge transfer is studied on MoS2 in combination with the molecule H2Pc. The combination with molecules can extend the functionality of MoS2. Photoelectron spectroscopy (PES) reveals a type II energy level alignment at the MoS2/H2Pc interface. Excited electrons are transferred from H2Pc to MoS2, deduced from a shortening of the H2Pc PL decay time. Photocurrent spectra further show that the transferred electrons contribute to an enhanced photoconductivity. Additionally, bare 2D transition-metal dichalcogenides (TMDCs) are studied. In order to fabricate high-quality TMDC monolayers, a growth method was developed in-house. The grown monolayers are characterised by optical spectroscopy. The versatility of the method is demonstrated by the growth of alloys and heterostructures. The influence of the substrate dielectric function is investigated by comparing band-gaps measured by PES with the exciton transition energies obtained by reflectance measurements. An almost equal reduction in both energies with the substrate dielectric constant is seen.

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.

As the third generation of luminescent materials, thermally activated delayed fluorescence (TADF)-type compounds have great potential as emitter molecules in OLEDs allowing for electro-fluorescence with 100 % internal quantum efficiency. For organic electronics, the general wide range of applications from OLEDs, bio-fluorescence imaging to sensor technologies and photonic energy storages roots on the enormous variety of organic materials. Especially in the field of metal- free aromatic designs, the range of possible materials showing diverse triplet harvesting effects is immense, making material development a highly complex task. Firstly, initial efforts in the understanding of the basic concepts behind TADF will be highlighted. A rational design strategy for TADF materials will be illustrated on an innovative material series based on phenylcarbazoles. A reasonable branch of isomers are theoretically constructed and slight stoichiometric modifications are performed to understand how molecular structure and intramolecular steric hindrance affects reverse intersystem crossing (RISC), while simultaneously revealing the strategy for deep blue TADF. The rational design of a bluish green TADF material called 5CzCF3Ph providing CIEy ≤ 0.4 is demonstrated, enabling peak EQE values of 12.1 % with a promising LT50 of 2 hrs at 500 cd∙m-2. Subsequently, the photophysics of five newly designed trimeric donor (D)-acceptor (A)-donor (D) type material compounds, analogue concepts to archetypical TADF designs, highlight the importance of intramolecular electronic couplings between adjacent triplet states for adiabatically-driven TADF, revealing the mechanism of local type triplet state perturbations on 3CT states. The most promising candidate (DMAC-PTO-DMAC) is disclosed and in turn optimized to meet required conditions for deep blue TADF emission. Ultimately, a deep blue luminescent material called isoDMAC-PTO is developed, featuring CIE coordinates of (0.16, 0.14) with an overall quantum yield of (86.4 ± 0.5) %. The focus switches to the fundamental understanding of the underlying mechanism giving rise to TADF in small molecules, leaving the scope of deep blue emission. While investigating the photophysical properties of a synthesized donor (D)-acceptor (A) type thermally activated delayed fluorescence (TADF) emitter named methyl 2-(9,9-dimethylacridin-10-yl)benzoate (DMAC-MB), it is possible to identify the excited state dynamics mediating the spin-flip process and hence the reutilization of non-radiative triplet states allowing for an internal quantum efficiency approaching unity. As experimentally observed by detailed temperature- and time-dependent transient photoluminescence (PL) measurements and consolidated by comprehensive quantum-chemical considerations, excited state configuration interaction by non-adiabatic couplings are anticipated as key property behind triplet up-conversion in the vicinity of conical intersections, contributing to recent research facing the exciton management within the auspicious field of TADF. For the first time, this thesis reports that even a TADF-silent molecule can be converted into efficient TADF systems by increasing the donor π- conjugation length through polymerization of the building block itself. With a total photoluminescence quantum yield up to 71 %, comprehensible research illustrates an efficient thermally activated delayed fluorescence polymer P1, based solely on non-TADF chromophores represented by a model compound 2 (PLQY of 3 % at RT). Finally, as predicted by TDDFT calculations and shown for the first time in the aspiring field of TADF, a thermally activated delayed fluorescence polymer based on a merely radiative, solely phosphorescent repeating unit is demonstrated. Intramolecular π-conjugation is exploited to trigger the charge-transfer excited state energy, revealing a general design tool to provoke TADF, reserved in particular for polymers. While the introduced twisted methyl 2-(9,9-dimethylacridin-10-yl) benzoate (DMAC-MB) reveals efficient thermally activated delayed fluorescence (TADF), a modified analogue 9,9-Dimethyl-5H,9H-quinolino[3,2,1-de]acridin-5-one (DMAC-ACR) shows emerging room temperature phosphorescence (RTP). As for TADF, intramolecular non-adiabatic couplings are unlocked as key feature actuating persistent RTP, linking photophysical analogies between TADF and RTP to structural self-similarities. Last but not least, degradation processes in TADF materials will be addressed. A correlation between theoretically calculated bond-dissociation energies (BDEs) and phenomenological observations reveals that low BDEs, in particular along pronounced charge-transfer bonds, ultimately lead to irreversible TADF material degradation induced by bi-molecular processes comprising TPQ as well as TTA. Finally, this thesis reveals the photophysics of 24 newly designed, synthesized and characterized TADF materials and demonstrates a fundamentally new approach for RTP, based on structural analogues to TADF. Far reaching design principles as conjugation induced TADF in polymers, as well as new design strategies selectively incorporating virbonic couplings yield device performances comprising LT50 of 2 hrs at 500 cd∙m-2 and targeted deep blue emission with CIE (0.16, 0.14). While lighting the way for TADF as future luminescent OLED materials, intrinsic material instabilities due to low bond-dissociation energies are disclosed as key-issues for tomorrows research.

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.

Das Verstehen der elektronischen Prozesse in Nano-Hybridsystemen, bestehend aus Molekülen und Halbleiterstrukturen, eröffnet neue Möglichkeiten für optoelektronische Bauteile. Dafür benötigt es nanoskopische und gleichzeitig atomare Modelle und somit angepasste Rechenmethoden. Insbesondere "Standard"-Ansätze für die Dynamik offener Quantensysteme werden mit zunehmender Systemgröße jedoch sehr ineffizient. In dieser Arbeit wird eine neue Methode basierend auf einer stochastischen Schrödinger-Gleichung etablieren. Diese umgeht die numerischen Limits der Quanten-Mastergleichung und ermöglicht Simulationen von imposanter Größe. Ihr enormes Potenzial wird hier in Studien zu Anregungsenergietransfer und Ladungsseparation an zwei realistischen Nano-Hybridsystemen demonstriert: para-sexiphenyl Moleküle auf einer flachen ZnO Oberfläche (6P/ZnO), und ein tubuläres C8S3 Farbstoffaggregat gekoppelt an einen CdSe Nanokristall (TFA/NK). Im 6P/ZnO System findet nach optischer Anregung Energietransfer vom 6P Anteil zum ZnO statt. Direkt an der Grenzfläche können Frenkel-Exzitonen zusätzlich Ladungsseparation initiieren, wobei Elektronen ins ZnO transferiert werden und Löcher im 6P Anteil verbleiben. Beide Mechanismen werden mittels laserpulsinduzierter ultraschneller Wellenfunktionsdynamik simuliert. Danach wird die langsamere dissipative Lochkinetik im 6P Anteil studiert. Hierfür wird die eigene Simulationstechnik der stochastischen Schrödinger-Gleichung verwendet. Die Studie an der TFA/NK Grenzfläche basiert auf einer gigantischen equilibrierten Aggregatstruktur aus 4140 Molekülen. Ein generalisiertes Frenkel-Exzitonenmodell wird benutzt. Der Ansatz der stochastischen Schrödinger-Gleichung ermöglicht bemerkenswerte Einblicke in die Aggregat-interne Exzitonenrelaxation. Danach werden inkohärente Raten des Exzitonentransfers zum NK berechnet. Unterschiedliche räumliche Konfigurationen werden untersucht und es wird diskutiert, warum das Förster-Modell hier keine Gültigkeit besitzt. / Understanding the electronic processes in hybrid nano-systems based on molecular and semiconductor elements opens new possibilities for optoelectronic devices. Therefore, it requires for models which are both nanoscopic and atomistic, and so for adapted computational methods. In particular, "standard" methods for open quantum system dynamics however become very inefficient with increasing system size. In this regard, it is a key challenge of this thesis, to establish a new stochastic Schrödinger equation technique. It bypasses the computational limits of the quantum master equation and enables dissipative simulations of imposing dimensionality. Its enormous potential is demonstrated in studies on excitation energy transfer and charge separation processes in two realistic nanoscale hybrid systems: para-sexiphenyl molecules deposited on a flat ZnO surface (6P/ZnO), and a tubular dye aggregate of C8S3 cyanines coupled to a CdSe nanocrystal (TDA/NC). After optical excitation, the 6P/ZnO system exhibits exciton transfer from the 6P part to the ZnO. Close to the interface, Frenkel excitons may further initiate charge separation where electrons enter the ZnO and holes remain in the 6P part. Both mechanisms are simulated in terms of laser-pulse induced ultrafast wave packet dynamics. Afterwards, slower dissipative hole motion in the 6P part is studied. For this purpose, the own stochastic Schrödinger equation simulation technique is applied. The study on the TDA/NC interface is based on a gigantic equilibrated nuclear structure of the aggregate including 4140 dyes. A generalized Frenkel exciton model is employed. Thanks to the stochastic Schrödinger equation approach, energy relaxation in the exciton band of the TDA is simulated in outstanding quality and extend. Then, incoherent rates for exciton transfer to the NC are computed. Different spatial configurations are studied and it is discussed why the Förster model possesses no validity here.

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.