@phdthesis{Mann2015,
  author    = {Mann, Christoph},
  title     = {Exzitonengr{\"o}ße und -dynamik in (6,5)-Kohlenstoffnanor{\"o}hren : Transiente Absorptions- und Photolumineszenzmessungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-116712},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Zahlreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen haben erwiesen, dass in halbleitenden Kohlenstoffnanor{\"o}hren durch Absorption von Licht haupts{\"a}chlich Exzitonen erzeugt werden. Die photophysikalischen Eigenschaften und insbesondere die Prozesse nach der optischen Anregung sind aber gegenw{\"a}rtig noch nicht vollst{\"a}ndig verstanden. Zeitaufgel{\"o}ste Spektroskopie bietet die M{\"o}glichkeit, diese Prozesse zu verfolgen und somit detaillierten Einblick in das photophysikalische Verhalten von Kohlenstoffnanor{\"o}hren zu nehmen. Hierbei scheinen auch extrinsische Faktoren - zu nennen sind die Herstellungsmethode, die Art der Probenpr{\"a}paration, der Aggregationsgrad sowie der durch das L{\"o}sungs- bzw. Dispersionsmittel bedingte Einfluss - eine entscheidende Rolle zu spielen. In dieser Dissertation wurden die Exzitonengr{\"o}ße sowie die exzitonische Dynamik in einwandigen Kohlenstoffnanor{\"o}hren mittels transienter Absorptionsspektroskopie sowie station{\"a}rer und zeitaufgel{\"o}ster Photolumineszenzmessungen untersucht. Alle Experimente fanden dabei an halbleitenden (6,5)-Kohlenstoffnanor{\"o}hren statt, deren chirale Anreicherung durch Dichtegradientenultrazentrifugation gelang. F{\"u}r die temperaturabh{\"a}ngigen Messungen wurde ein Verfahren zur Herstellung von tensidstabilisierten Gelatinefilmen entwickelt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Temperaturstabilit{\"a}t bei gleichzeitiger Minimierung von Streulichteffekten aus. Die Bestimmung der Exzitonengr{\"o}ße erfolgte mit Hilfe des Phasenraumf{\"u}llmodells, das die intensit{\"a}tsabh{\"a}ngige {\"A}nderung der Oszillatorst{\"a}rke eines {\"U}bergangs mit der Exzitonengr{\"o}ße verkn{\"u}pft. Hierf{\"u}r wurden leistungsabh{\"a}ngige Messungen der transienten Absorption durchgef{\"u}hrt und die Signalintensit{\"a}t des Photobleichens gegen die absorbierte Photonenflussdichte aufgetragen. Da diese beiden Gr{\"o}ßen nur bei geringer Exzitonendichte in einer linearen Beziehung stehen, aus der sich die Exzitonengr{\"o}ße berechnen l{\"a}sst, wurde im Experiment besonderer Wert auf niedrige Anregungsfluenzen und deren exakte Bestimmung gelegt. Um den Einfluss der Aggregation quantifizieren zu k{\"o}nnen und den Vergleich mit der Literatur zu erleichtern, fanden die Untersuchungen sowohl an individualisierten als auch an aggregierten R{\"o}hrenproben statt. Die Datenanalyse, bei der erstmalig die stimulierte Emission sowie der spektrale {\"U}berlapp von Photoabsorptions- und Photobleichbande Ber{\"u}cksichtigung fanden, ergab f{\"u}r individualisierte (6,5)-Nanor{\"o}hren einen Wert von 12.0 nm f{\"u}r die Gr{\"o}ße des S1-Exzitons, w{\"a}hrend diese bei der aggregierten R{\"o}hrenprobe nur 5.6 nm betr{\"a}gt. Die Probenabh{\"a}ngigkeit der Exzitonengr{\"o}ße macht den Vergleich mit anderen experimentell ermittelten Werten schwierig. Diese liegen fast ausschließlich zwischen 1 nm und 4.5 nm, ihre Bestimmung fand aber teilweise an stark aggregierten bzw. polydispersen Proben statt. Theoretische Berechnungen liefern f{\"u}r die Exzitonengr{\"o}ße Werte zwischen 1 nm und 4 nm. Zwar gelten einige der Berechnungen f{\"u}r Vakuum, was verglichen zu einer experimentell in L{\"o}sung bzw. im Film bestimmten Exzitonengr{\"o}ße einen kleineren Wert mit sich bringt, jedoch kann allein hierdurch die Diskrepanz zu der in dieser Arbeit ermittelten Exzitonengr{\"o}ße von 12.0 nm nicht erkl{\"a}rt werden. Setzt man experimentell und theoretisch f{\"u}r Vakuum bestimmte Werte f{\"u}r die Exzitonengr{\"o}ße und die Bindungsenergie in einen einfachen Zusammenhang, entspricht eine Exzitonengr{\"o}ße von 12.0 nm einer Bindungsenergie zwischen 0.21 eV und 0.27 eV. Die mittels Zweiphotonenexperimenten ermittelten Werte f{\"u}r die Bindungsenergie von (6,5)-Kohlenstoffnanor{\"o}hren befinden sich zwischen 0.37 eV und 0.42 eV; diese wurden allerdings unter Zuhilfenahme eines vereinfachten zylindrischen Modells abgesch{\"a}tzt. Weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen k{\"o}nnten kl{\"a}ren, inwieweit eine exzitonische Bindungsenergie zwischen 0.21 eV und 0.27 eV f{\"u}r (6,5)-SWNTs in Betracht kommt. Strahlender und nichtstrahlender Zerfall in den Grundzustand scheinen in (6,5)-Kohlenstoffnanor{\"o}hren durch eine Dynamik zwischen verschiedenen Zust{\"a}nden sowie durch die Diffusion der Exzitonen beeinflusst zu werden. Um diese f{\"u}r die Rekombination maßgeblichen Prozesse besser zu verstehen, wurden temperaturabh{\"a}ngige Messungen der station{\"a}ren und zeitaufgel{\"o}sten Photolumineszenz sowie der transienten Absorption durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse der station{\"a}ren PL-Experimente deuten darauf hin, dass die Exzitonen zwischen dem optisch aktiven Singulettzustand mit A2-Symmetrie - im Folgenden mit [B] bezeichnet - und einem energetisch tiefer liegenden dunklen Zustand [D] gestreut werden. Mit einem Wert von 5 meV f{\"u}r die energetische Aufspaltung zwischen [B] und [D] gelingt eine gute Anpassung an die Daten, was mit Blick auf die Bandstruktur von (6,5)-SWNTs vermuten l{\"a}sst, dass es sich bei [D] um den A1-Singulettzustand handelt. Außerdem scheint eine nichtthermische Verteilung der Exzitonen auf [B] und [D] vorzuliegen, wobei strahlende Rekombination nur vom Zustand [B] aus m{\"o}glich ist. Mit diesen Annahmen kann das temperaturabh{\"a}ngige Verhalten der station{\"a}ren Photolumineszenz modelliert werden, die Ergebnisse der zeitaufgel{\"o}sten PL-Messungen jedoch nicht. Mit einem rein diffusionsdominierten Modell gelingt dies ebenso wenig, so dass zur Interpretation des PL-Zerfalls vermutlich ein Modell entwickelt werden muss, in dem sowohl die Streuung der Exzitonen zwischen [B] und [D] als auch das durch Diffusion bedingte L{\"o}schen an Defektstellen oder R{\"o}hrenenden Ber{\"u}cksichtigung findet. Die Bedeutung der Diffusion von Exzitonen zu Defektstellen oder R{\"o}hrenenden, an denen bevorzugt nichtstrahlender Zerfall stattfindet, kann durch spektral- und zeitaufgel{\"o}ste PL-Messungen belegt werden. Abh{\"a}ngig von der zur Verf{\"u}gung stehenden thermischen Energie und der H{\"o}he der Potenzialbarrieren des untersuchten Systems kann die Diffusion niederenergetischer Exzitonen, die sich in Potenzialminima befinden, soweit eingeschr{\"a}nkt werden, dass diese eine fast bis um den Faktor zwei l{\"a}ngere PL-Lebensdauer aufweisen als h{\"o}herenergetische Exzitonen. Das unterschiedliche Verhalten von transienter Absorption und zeitaufgel{\"o}ster Photolumineszenz bei Temperaturen zwischen 14 K und 35 K zeigt, dass die Repopulation des Grundzustands haupts{\"a}chlich von einem anderen Zustand aus erfolgt als die strahlende Rekombination. Ob es sich hierbei aber um den mit [D] bezeichneten A1-Singulettzustand oder einen anderen dunklen Zustand handelt, kann nicht abschließend gekl{\"a}rt werden. Aufgrund inhomogener Verbreiterung stellt die Halbwertsbreite der Banden im Absorptionsspektrum ein Maß f{\"u}r die H{\"o}he der Potenzialbarrieren bzw. f{\"u}r die energetische Verteilung der Exzitonen im angeregten Zustand dar. In dieser Arbeit wurde anhand vier verschiedener Nanorohrsuspensionen gezeigt, dass S{\"a}ttigungsverhalten der transienten Absorption von (6,5)-Kohlenstoffnanor{\"o}hren und Bandenbreite im Absorptionsspektrum demselben Trend folgen. Begr{\"u}nden kann man dies damit, dass das S{\"a}ttigungsverhalten der transienten Absorption durch Exziton-Exziton-Annihilation bestimmt wird. Aufgrund ihrer eindimensionalen Struktur unterliegen Kohlenstoffnanor{\"o}hren einer starken Beeinflussung durch die Umgebung. Abh{\"a}ngig vom L{\"o}sungs- bzw. Dispersionsmittel resultiert eine unterschiedliche inhomogene Verbreiterung der Absorptionsbanden und damit unterschiedlich hohe Potenzialbarrieren im angeregten Zustand. Niedrige Potenzialbarrieren erlauben eine weitreichende Diffusion der Exzitonen, sodass effiziente Exziton-Exziton-Annihilation schon bei einer vergleichsweise geringen Exzitonendichte stattfindet und das Signal der transienten Absorption bei einer niedrigen Impulsfluenz s{\"a}ttigt.},
  subject      = {Exziton},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Flock2021,
  author    = {Flock, Marco},
  title     = {Velocity Map Imaging-Untersuchung nichtstrahlender Prozesse in polyzyklischen Aromaten und deren van-der-Waals-Clustern},
  doi       = {10.25972/OPUS-24078},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-240786},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, ein bereits bestehendes TOF-MS-Setup dahingehend zu erweitern, um damit Velocity Map Imaging-Experimente durchf{\"u}hren zu k{\"o}nnen. Dies erforderte zun{\"a}chst die Konzipierung und Programmierung einiger f{\"u}r die Datenaufnahme, -verarbeitung und -analyse ben{\"o}tigter LabView-Anwendungen. Anschließend konnten erste Kalibrierexperimente an Methyliodid, in denen wichtige experimentelle Parameter identifiziert und optimiert wurden, durchgef{\"u}hrt werden. Außerdem gelang es dadurch, die Messgenauigkeit des Setups auf 0.7 \% und dessen Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen auf 4.4 \% zu bestimmen, was im Bereich f{\"u}r VMI-Apparaturen typischer Werte liegt. Zur weiteren {\"U}berpr{\"u}fung der Funktionst{\"u}chtigkeit des Setups wurde in ersten zeitaufgel{\"o}sten Experimenten im Folgenden die Desaktivierung des S1-Zustands von Pyridin untersucht. Neben der Reproduktion einiger bereits literaturbekannter Resultate konnten dabei zus{\"a}tzlich die im Multiphotonen-Ionisationsschritt populierten Rydberg-Zust{\"a}nde identifiziert werden. Anschließend wurde mit Experimenten an bisher weniger gut untersuchten organischen Aromaten und Heteroaromaten fortgefahren. Das Ziel dieser Studien lag in der Aufkl{\"a}rung der photoinduzierten Dynamiken der Verbindungen, wobei das zur Verf{\"u}gung stehende ps-Lasersystem die M{\"o}glichkeit bot, die Desaktivierung elektronisch angeregter Zust{\"a}nde gezielt in Abh{\"a}ngigkeit von deren Schwingungsenergie zu untersuchen. Der darin bestehende Vorteil zeigte sich vor allem in Studien an Tolan und Phenanthridin, deren erste angeregte, optisch aktive Zust{\"a}nde am Origin Lebensdauern im ns-Bereich aufweisen, die sich mit zunehmender vibronischer Anregung jedoch auf bis zu 10 ps verringern. Als Grund daf{\"u}r konnten nichtstrahlende Desaktivierungsprozesse, f{\"u}r deren Eintreten eine energetische Barriere {\"u}berwunden werden muss, identifiziert werden. W{\"a}hrend in Tolan nach Photoanregung ein {\"U}bergang in einen (πσ∗)-Zustand, der zur Ausbildung einer trans-bent-Struktur f{\"u}hrt, erfolgt, ist im Falle von Phenanthridin vermutlich ein El-Sayed-erlaubter ISC-{\"U}bergang in einen 3(nπ∗)-Zustand f{\"u}r die drastische Verk{\"u}rzung der S1-Lebensdauer verantwortlich. Ein solcher konnte weder im zu Phenanthridin isomerischen Benzo[h]quinolin, noch in dessen PAH-Muttermolek{\"u}l Phenanthren beobachtet werden, was auf die h{\"o}here energetische Lage bzw. die Abwesenheit des mittels ISC populierten 3(nπ∗)-Zustands in diesen Molek{\"u}len zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden kann. In weiteren im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgef{\"u}hrten Experimente wurden zudem die aromatischen Molek{\"u}le Acenaphthylen und 4-(Dimethylamino)benzethin (DMABE) untersucht. Zeitaufgel{\"o}ste Studien zeigten dabei, dass die Desaktivierung der S2-Zust{\"a}nde beider Molek{\"u}le auf der sub-ps-Zeitskala stattfindet und mit dem vorhandenen Lasersystem daher nicht aufgel{\"o}st werden kann. In Acenaphthylen erfolgt die S2-Relaxation gr{\"o}ßtenteils {\"u}ber einen sequentiellen IC-Mechanismus, innerhalb dem der S1-Zustand des Molek{\"u}ls intermedi{\"a}r besetzt wird. Dessen Lebensdauer konnte am Origin auf 380 ps bestimmt werden, f{\"a}llt mit steigender Schwingungsanregung jedoch auf bis zu 55 ps ab. F{\"u}r die Desaktivierung des S2-Zustands von DMABE konnte hingegen ein paralleles Relaxationsmodell, in dem neben dem S1-Zustand ein weiterer elektronisch angeregter Zustand populiert wird, nachgewiesen werden. Bei diesem k{\"o}nnte es sich m{\"o}glicherweise um einen (πσ∗)-Zustand, dessen Besetzung die Ausbildung einer trans-bent-Geometrie innerhalb der Acetylen-Einheit des Molek{\"u}ls zur Folge hat, handeln. Einen weiteren großen Teil der vorliegenden Dissertation nahmen Experimente an van-der-Waals-gebundenen Clustersystemen ein. Im Fokus der Studien standen dabei Molek{\"u}le mit ausgedehnten aromatischen π-Systemen, da solche eine hohe Relevanz f{\"u}r verschiedene materialwissenschaftliche Forschungsgebiete besitzen. Ein Beispiel hierf{\"u}r ist Tetracen, welches als Modellsystem f{\"u}r die Untersuchung von Singlet Fission-Prozessen angesehen wird. In Kombination mit nichtadiabatischen Surface-Hopping-Simulationen zeigten Experimente an Tetracen-Dimeren, dass nach deren S2-Anregung zun{\"a}chst ein schneller S1←S2-{\"U}bergang (τ < 1 ps), gefolgt von der Ausbildung einer Excimerstruktur, stattfindet. Letztere erfolgt mit einer Zeitkonstante von 62 ps und f{\"u}hrt zu einem Anstieg des transienten Ionensignals, wohingegen die Desaktivierung des Excimer-Zustands von einem abklingenden Signalbeitrag mit τ = 123 ps repr{\"a}sentiert wird. Wenngleich {\"u}ber die weitere Relaxation der Excimerspezies zum gegenw{\"a}rtigen Zeitpunkt keine Aussage getroffen werden kann, besteht damit die M{\"o}glichkeit, dass Excimer-Zust{\"a}nde als Zwischenstufe im SF-Mechanismus isolierter Tetracen-Dimere auftreten. In zeitaufgel{\"o}sten Experimenten an Phenanthren-Dimeren konnte ebenfalls ein Anstieg des transienten Signals mit einer vergleichbaren Zeitkonstante von τ = 86 ps, der jedoch auf einem konstanten Signaloffset endet, gefunden werden. Dies deutet darauf hin, dass auch Phenanthren-Dimere in der Lage sind, Excimerstrukturen, die im Gegensatz zu denen des Tetracens jedoch deutlich langlebiger sind, auszubilden. Studien an den Dimerspezies der Azaphenanthrene Benzo[h]quinolin und Phenanthridin offenbarten hingegen etwas schnellere Relaxationen mit Zeitkonstanten von 15 bzw. 40 ps. Zudem zeigten beide Spezies eine stark ausgepr{\"a}gte Fragmentation, sodass f{\"u}r deren Untersuchung auf die VMI-Detektionsmethode zur{\"u}ckgegriffen werden musste. Dadurch wurde deutlich, dass sich Photoionen-Imaging-Experimente hervorragend f{\"u}r Studien an schwach gebundenen Clustersystemen eignen, da diese die Separation verschiedener Signalbeitr{\"a}ge innerhalb eines betrachteten Massenkanals erm{\"o}glichen.},
  subject      = {Strahlungslose Desaktivierung},
  language  = {de}
}