@phdthesis{Renziehausen2014,
  author    = {Renziehausen, Klaus},
  title     = {Wechselwirkung von Molek{\"u}len mit Laserpulsen: Untersuchungen zur numerischen Implementierung zeitabh{\"a}ngiger St{\"o}rungstheorie und zu Effekten der absoluten Phase von Laserpulsen beliebiger L{\"a}nge},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-100850},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In dieser Dissertation wurden zwei Aspekte der Wechselwirkung von Laserpulsen mit Molek{\"u}len betrachtet: Erstens wurden numerische Algorithmen, die auf der zeitabh{\"a}ngigen St{\"o}rungstheorie basieren, zur Berechnung von quantenmechanischen Wellenfunktionen analysiert. Zweitens wurden Effekte der absoluten Phase (Carrier envelope phase = CEP) von Laserpulsen bei der Laseranregung molekularer Systeme analysiert. In den Analysen zum ersten Aspekt wurden zwei verschiedene Algorithmen - in dieser Arbeit als simple und improved algorithm bezeichnet - verwendet, und die Normabweichung von mit diesen Algorithmen berechneten Wellenfunktionen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Normabweichung f{\"u}r beide Algorithmen in zwei unterschiedliche Beitr{\"a}ge zerlegt werden kann. Der erste Normabweichungsbeitrag tritt aufgrund der numerischen Diskretisierung der Zeit auf und verschwindet, wenn der Zeitschritt, der die Dauer der Intervalle f{\"u}r diese Diskretisierung angibt, gegen Null geht. Man kann den ersten Normabweichungsbeitrag mit exzellenter Genauigkeit berechnen und seine Eigenschaften, die sich f{\"u}r die beiden Algorithmen erheblich unterschieden, eingehend analysieren. Der zweite Normabweichungsbeitrag tritt dadurch auf, dass die zeitabh{\"a}ngige St{\"o}rungstheorie nicht normerhaltend ist, und geht daher gegen Null, wenn die St{\"o}rungsordnung gegen unendlich geht. Dieser zweite Beitrag ist außerdem in guter N{\"a}herung unabh{\"a}ngig vom Zeitschritt und f{\"u}r beide Algorithmen n{\"a}herungsweise gleich. Des Weiteren kann man das Verhalten des zweiten Normabweichungsbeitrags im Gegensatz zum ersten Beitrag nur qualitativ beschreiben. F{\"u}r die Analyse zum zweiten Themengebiet dieser Arbeit, den CEP-Effekten, wurde betrachtet, ob CEP-Effekte auch f{\"u}r Laserpulse beliebiger L{\"a}nge auftreten k{\"o}nnen. {\"U}ber eine analytische Betrachtung erkennt man, dass dies f{\"u}r ein Zweiniveausystem nur dann der Fall ist, wenn beide Zust{\"a}nde vor Beginn der Wechselwirkung des Systems mit dem Laserpuls besetzt sind. Man kann aus diesem Ergebnis folgern, dass f{\"u}r einen Laserpuls, der zwei elektronische Zust{\"a}nde eines Molek{\"u}ls {\"u}ber Einphotonen{\"u}berg{\"a}nge koppelt, in der Regel kein CEP-Effekt f{\"u}r beliebige L{\"a}ngen dieses Pulses auftritt. Der Grund daf{\"u}r ist, dass vor der Wechselwirkung eines molekularen Systems mit einem Laserpuls f{\"u}r dieses {\"u}blicherweise nur der elektronische Grundzustand besetzt ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass dieses Problem durch ein spezielles Zweipulsschema f{\"u}r die Anregung eines molekularen Systems gel{\"o}st werden kann. F{\"u}r dieses Pulsschema wird ein erster Puls verwendet, der zeitlich so kurz ist, dass Wellenpakete in mehreren elektronischen Zust{\"a}nden angeregt werden. Der nachfolgende zweite Laserpuls ist spektral schmal, und seine zeitliche L{\"a}nge kann beliebig groß gew{\"a}hlt werden. Man erh{\"a}lt f{\"u}r dieses Pulsschema Observablen, die von der CEP des zweiten Pulses, aber nicht von der CEP des ersten Pulses abh{\"a}ngen; somit ist ein CEP-Effekt nachweisbar. Derartige Observablen sind geometrische Asymmetrien f{\"u}r Zerfallsprodukte von Photodissoziationsreaktionen. Insbesondere unterscheidet sich das hier vorgestellte Pulsschema von anderen Zweipulsschemata, f{\"u}r welche Observablen von der Differenz der CEPs beider Pulse abh{\"a}ngen, aber nicht von der CEP einer der beiden Pulse allein.},
  subject      = {St{\"o}rungstheorie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Giegerich2015,
  author    = {Giegerich, Jens},
  title     = {Velocity-Map-Imaging Studien an reaktiven Intermediaten: Fulvenallen, C3H2 Isomere und Alkylradikale},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-114982},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {In der vorliegenden Dissertation wurde die Photodissoziationsdynamik einer Reihe reaktiver Intermediate mittels Velocity-Map-Imaging Spektroskopie untersucht. Diese sind vor allem im Kontext von Verbrennungsprozessen sowie der Chemie im interstellaren Raum von Interesse. Die wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit sollen nun kurz zusammengefasst werden. Fulvenallen stellt einen wichtigen Verzweigungspunkt in der Verbrennung von Toluol dar. Die Photodissoziationsdynamik von Fulvenallen, welches pyrolytisch aus Phthalid generiert wurde, konnte im Wellenl{\"a}ngenbereich von 245 - 255 nm aufgekl{\"a}rt werden. Dabei ist die ermittelte Dissoziationsrate (kH ≈ 107 s-1) in guter {\"U}bereinstimmung mit der mittels RRKM vorhergesagten Rate. In VMI-Experimenten zeigten die, durch Photodissoziation abstrahierten, Wasserstoffatome eine isotrope Winkelverteilung, wobei diese einen Anteil an der {\"U}berschussenergie von <fT>= 0:09 in Form von kinetischer Energie besaßen. Die Photodissoziation von Fulvenallen erfolgt statistisch ohne nennenswerte R{\"u}ckbarriere. Sowohl Winkel- als auch Energieverteilung sprechen f{\"u}r den folgenden Dissoziationsmechanismus: Fulvenallen wird durch ein Photon in den D1A1 Zustand angeregt, aus dem es durch interne Konversion schnell in den elektronischen Grundzustand relaxiert, aus dem es anschließend in einem statistischen Prozess dissoziiert. Spezies der Zusammensetzung C3H2 wurden im interstellaren Raum und in Flammenexperimenten beobachtet. In dieser Arbeit wurden zwei Isomere, Propargylen und Cyclopropenyliden, untersucht. Die Photodissoziation von Propargylen wurde bei einer Anregungswellenl{\"a}nge von 250 nm untersucht. In den VMI-Experimenten wurden Wasserstoffatome mit einem Erwartungswert der kinetischen Energie von <ET>= 0.53 eV beobachtet, was einem Anteil an der {\"U}berschussenergie von <fT>= 0.48 entspricht. Diese von Propargylen abstrahierten H-Atome waren trotz der hohen Translationsenergie mit einem Anisotropieparameter von = -0.05 nur leicht anisotrop verteilt. Durch den Vergleich mit quanten-klassischen Dynamik Simulationen ließ sich folgendes Bild der Dissoziation gewinnen: Propargylen wird mit 250 nm in den sechsten angeregten Triplett-Zustand T6 angeregt. Die anschließende Dissoziation ist direkt und erfolgt in ca. 200 fs aus T4 - T6. Der geringe Anisotropiegrad wurde durch einen Dissoziationsprozess erkl{\"a}rt, bei dem µT und die gebrochene C-H Bindung ann{\"a}hernd im magischen Winkel zueinander angeordnet sind. Die Photodissoziation von Cyclopropenyliden wurde bei einer Anregungswellenl{\"a}nge von 271 nm untersucht. Dabei wurden die Experimente an zwei unterschiedlichen Radikalvorl{\"a}ufern, 3-Chlorcyclopropen und einem Quadricyclanderivat, durchgef{\"u}hrt. Diese f{\"u}hrten im Wesentlichen zu denselben Ergebnissen. Die VMI-Experimente zeigen, dass in der Photodissoziation von Cyclopropenyliden die H{\"a}lfte der {\"U}berschussenergie in die Translation der Wasserstoffatome fließt (<fT>= 0:50). Aus der Winkelverteilung der abstrahierten Wasserstoffatome ergab sich eine isotrope Verteilung ( = 0). Der Vergleich mit quantendynamischen Simulationen erlaubt folgende Aussagen {\"u}ber den Dissoziationsmechanismus: Cyclopropenyliden wird mit einem Photon mit 271 nm in den zweiten angeregten Singulett-Zustand angeregt. Durch zwei konische Durchschneidungen relaxiert es in den elektronischen Grundzustand. Dabei kann die zyklische Struktur aufgebrochen und ein lineares Isomer gebildet werden. Die Berechnungen sagen ein Verh{\"a}ltnis cyklischer zu offenkettiger Struktur (Bruch der C=C Doppelbindung) von ca. 75 : 20 voraus. Die Dissoziation erfolgt ann{\"a}hernd ideal statistisch aus dem elektronischen Grundzustand. F{\"u}r beide Isomere ergab sich eine sehr gute {\"U}bereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Alkylradikale spielen ebenfalls eine wichtige Rolle in der interstellaren und der Verbrennungschemie und k{\"o}nnen als prototypische offenschalige Systeme angesehen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Photodissoziationsdynamik des i-Propyl- und des t-Butylradikals untersucht und die Ergebnisse mit fr{\"u}heren VMI-Studien am Ethylradikal verglichen. Die Translationsenergieverteilung der in der Photodissoziation erzeugten H-Atome ist f{\"u}r alle drei Radikale bimodal. Dabei sind die Wasserstoffatome, welche ihr Maximum in der Translationsenergieverteilung bei niedrigen kinetischen Energien erreichen, isotrop verteilt. Die H-Atome mit hoher kinetischer Energie sind anisotrop verteilt. Aus dem Vergleich mit {\"a}lteren Arbeiten wurde ein m{\"o}glicher Dissoziationsmechanismus f{\"u}r die Alkylradikale erarbeitet. Dieser basiert auf Rydberg-Valenz-Wechselwirkungen und kann beide beobachteten Wasserstoffatomkan{\"a}le erkl{\"a}ren. Außerdem kann damit ein m{\"o}glicher C-C Bindungsbruch und die Bildung eines Methylradikals erkl{\"a}rt werden, welche f{\"u}r t-Butyl in der Literatur bereits beobachtet wurde. F{\"u}r eine solide theoretische Basis sind jedoch weitere umfassende quantenchemische und quantendynamische Studien erforderlich. Methyliodid z{\"a}hlt, was die Photodissoziation anbelangt, zu den am besten untersuchten Molek{\"u}len. Die in dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten VMI-Experimente bez{\"u}glich der Photodissoziation von Methyliodid dienten in erster Linie als Kalibrierexperimente der Apparatur f{\"u}r schwerere Massen als Wasserstoff. Dabei zeigten die Experimente eine qualitativ gute {\"U}bereinstimmung mit fr{\"u}heren Studien, wodurch die Kalibrierparameter ermittelt werden konnten. Außerdem wurde die große Absorption bei 266 nm genutzt um die neue Photolysequelle in Betrieb zu nehmen. Damit ist es zuk{\"u}nftig m{\"o}glich, pyrolytisch nicht zug{\"a}ngliche Radikale, wie z.B. Radikale, deren ungepaartes Elektron an einem Sauerstoffatom lokalisiert ist, zu erzeugen. Des Weiteren wurden pyrolytisch und photolytisch erzeugte freie Radikale miteinander verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Photolyse Radikale mit geringerer interner Energie generiert, wobei die Pyrolyse eine deutlich h{\"o}here Konversionseffizienz besitzt. Aufgenommene Images bei unterschiedlichen Pyrolyseleistungen erlaubten die Absch{\"a}tzung der effektiven Temperatur des Molekularstrahls. Diese Erkenntnis ist besonders im Hinblick auf die Diskussion zuk{\"u}nftiger Pyrolyseexperimente interessant.},
  subject      = {Photodissoziation},
  language  = {de}
}
@article{KanalKeiberEcketal.2014,
  author    = {Kanal, Florian and Keiber, Sabine and Eck, Reiner and Brixner, Tobias},
  title     = {100-kHz shot-to-shot broadband data acquisition for high-repetition-rate pump-probe spectroscopy},
  doi       = {10.1364/OE.22.016965},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-112853},
  year      = {2014},
  abstract  = {Shot-to-shot broadband detection is common in ultrafast pump-probe spectroscopy. Taking advantage of the intensity correlation of subsequent laser pulses improves the signal-to-noise ratio. Finite data readout times of CCD chips in the employed spectrometer and the maximum available speed of mechanical pump-beam choppers typically limit this approach to lasers with repetition rates of a few kHz. For high-repetition (≥ 100 kHz) systems, one typically averages over a larger number of laser shots leading to inferior signal-to-noise ratios or longer measurement times. Here we demonstrate broadband shot-to-shot detection in transient absorption spectroscopy with a 100-kHz femtosecond laser system. This is made possible using a home-built high-speed chopper with external laser synchronization and a fast CCD line camera. Shot-to-shot detection can reduce the data acquisition time by two orders of magnitude compared to few-kHz lasers while keeping the same signal-to-noise ratio.},
  language  = {en}
}
@article{BrixnerPawłowskaGoetzetal.2014,
  author    = {Brixner, Tobias and Pawłowska, Monika and Goetz, Sebastian and Dreher, Christian and Wurdack, Matthias and Krauss, Enno and Razinskas, Gary and Geisler, Peter and Hecht, Bert},
  title     = {Shaping and spatiotemporal characterization of sub-10-fs pulses focused by a high-NA objective},
  doi       = {10.1364/OE.22.031496},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-111120},
  year      = {2014},
  abstract  = {We describe a setup consisting of a 4 f pulse shaper and a microscope with a high-NA objective lens and discuss the spects most relevant for an undistorted spatiotemporal profile of the focused beam. We demonstrate shaper-assisted pulse compression in focus to a sub-10-fs duration using phase-resolved interferometric spectral modulation (PRISM). We introduce a nanostructure-based method for sub-diffraction spatiotemporal characterization of strongly focused pulses. The distortions caused by optical aberrations and space-time coupling from the shaper can be reduced by careful setup design and alignment to about 10 nm in space and 1 fs in time.},
  language  = {en}
}
@article{KnorrRudolfNuernberger2013,
  author    = {Knorr, Johannes and Rudolf, Philipp and Nuernberger, Patrick},
  title     = {A comparative study on chirped-pulse upconversion and direct multichannel MCT detection},
  doi       = {10.1364/OE.21.030693},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-111334},
  year      = {2013},
  abstract  = {A comparative study is carried out on two spectroscopic techniques employed to detect ultrafast absorption changes in the mid-infrared spectral range, namely direct multichannel detection via HgCdTe (MCT) photodiode arrays and the newly established technique of chirped-pulse upconversion (CPU). Whereas both methods are meanwhile individually used in a routine manner, we directly juxtapose their applicability in femtosecond pump-probe experiments based on 1 kHz shot-to-shot data acquisition. Additionally, we examine different phase-matching conditions in the CPU scheme for a given mid-infrared spectrum, thereby simultaneously detecting signals which are separated by more than 200 cm-1.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hefner2014,
  author    = {Hefner, Timo},
  title     = {Einfluss von Dispergierungsmethode und Rohmaterialaufreinigung auf die Beschaffenheit einwandiger Kohlenstoffnanorohrsuspensionen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105839},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In der vorliegenden Dissertation wurden Dispergierungseffizienz, Entb{\"u}ndelungseffizienz und R{\"o}hrenqualit{\"a}t von SWNT-Suspensionen untersucht. Die R{\"o}hrenqualit{\"a}t wurde durch Messung von Quantenausbeuten bewertet. Außerdem wurden Suspensionen von den drei verschiedenen Rohmaterialien CoMoCAT, Black Sand und HiPCO, hergestellt durch die Behandlung mit Ultraschall und Schermischen, verglichen. Beim Beschallen zeigte sich wie erwartet eine h{\"o}here Dispergierungseffizienz im Vergleich zum Schermischen. Diese war jeweils bei Black Sand am gr{\"o}ßten, gefolgt von CoMoCAT und HiPCO. Ein Vergleich zwischen zwei HiPCO-Materialien best{\"a}tigte die deutlichen Effizienzvorteile nicht aufgereinigter Materialien. Trotz der viel geringeren Dichte des aufgereinigten HiPCO-Materials, ließ sich dieses durch das Schermischen wesentlich schlechter dispergieren. Der Effizienzunterschied war jedoch geringer als bei Black Sand und CoMoCAT, was vermutlich auf den geringeren Unterschied der Kohlenstoffanteile zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Dieser wiederum h{\"a}ngt von den jeweiligen Herstellungs- und Aufreinigungsverfahren ab. Die Dispergierungsgeschwindigkeit war f{\"u}r gescherte Black Sand- und CoMoCAT-Proben zu Beginn der Dispergierung h{\"o}her als f{\"u}r die jeweils beschallten Proben, weshalb durch Kombination der beiden Methoden m{\"o}glicherweise eine Verbesserung der pr{\"a}parierten Suspensionen bez{\"u}glich der drei untersuchten Parameter erreicht werden kann. Der Vergleich der Entb{\"u}ndelungseffizienzen ergab erneut Vorteile beim Ultraschall gegen{\"u}ber dem Schermischen. Die beschallten Black Sand- und HiPCO-Proben zeigten hierbei noch eine deutlich effizientere Auftrennung als die Proben des aufgereinigten CoMoCAT-Materials. Dieses enth{\"a}lt zu jedem Zeitpunkt der Beschallung noch einen entsprechend gr{\"o}ßeren Anteil an aggregierten R{\"o}hren. Beim Schermischen funktionierte die Entb{\"u}ndelung von Black Sand im Vergleich zu CoMoCAT und HiPCO mit Abstand am besten, was sich auch in den ODVerh{\"a}ltnissen beschallter und gescherter Proben widerspiegelte. Die beobachtete Quantenausbeute war bei den durch Schermischen dispergierten DGUEinzelrohrproben um bis zu 50 \% h{\"o}her als bei den beschallten Proben, was auf eine deutlich niedrigere R{\"o}hrenbesch{\"a}digung und somit auch auf eine h{\"o}here R{\"o}hrenqualit{\"a}t hindeutete. Dies wurde auch durch Vergleichsmessungen an Einzelr{\"o}hren best{\"a}tigt. Außerdem dringt bei durch Ultraschall geschnittenen R{\"o}hren Wasser ins R{\"o}hreninnere ein, was beim Schermischen nicht der Fall ist. Das erm{\"o}glicht durch Schermischen vielleicht die Herstellung von Proben mit ver{\"a}nderten Eigenschaften. Beim Vergleich der Materialien zeigte HiPCO die h{\"o}chste Quantenausbeute. Dieses Herstellungsverfahren liefert also im Vergleich zum CoMoCAT-Verfahren eine bessere R{\"o}hrenqualit{\"a}t. Die um 70 \% h{\"o}heren Quantenausbeuten der Black Sand-Proben im Vergleich zu den CoMoCAT-Proben machten die R{\"o}hrenbesch{\"a}digungen bei der Aufreinigung des Rohmaterials deutlich. Werden zudem Besch{\"a}digungen durch Ultraschall ber{\"u}cksichtigt, betr{\"a}gt der Unterschied sogar 250 \%. Die beschallten HiPCO- und Black Sand-Proben der zeitabh{\"a}ngigen Messungen zeigten aufgrund der effizienten Entb{\"u}ndelung den schnellsten Anstieg der uantenausbeuten, welche aufgrund von Besch{\"a}digungen durch den Ultraschall, beeinflusst durch die Entb{\"u}ndelungsund Dispergierungseffizienzen der Materialien, nach 10-20 min wieder abfielen. Die Quantenausbeuten der gescherten Proben stiegen entsprechend langsamer {\"u}ber die gesamte Messzeit von sechs Stunden an. Die Dispergierung mittels Schermischer bei erh{\"o}hter Viskosit{\"a}t f{\"u}hrte bei einem Iodixanolanteil von 45 \% zu einer fast sechsfach h{\"o}heren Dispergierungseffizienz im Vergleich zu Wasser. Auch Lufteinschl{\"u}sse scheinen einen Einfluss zu haben, weshalb ein Probenvolumen zwischen 13-14 mL mit dem verwendeten Aufbau am sinnvollsten erscheint. Ob Viskosit{\"a}t und Lufteinschl{\"u}sse auch Entb{\"u}ndelungseffizienz und R{\"o}hrenqualit{\"a}t beeinflussen, muss noch untersucht werden. In Kapitel 5 wurde die Dispergierung von Nanor{\"o}hren mit kationischem Perylenbisimid untersucht. Nach dem Zusammengeben von PBI-L{\"o}sung und SDS-Nanorohrsuspension wurden Flokkulationseffekte beobachtet, welche durch hohe Nanorohr- oder SDS-Konzentrationen verz{\"o}gert wurden. Das erm{\"o}glichte die Herstellung von PBI-Nanorohrfilmen mit Streifenmuster durch Nutzung des Kaffeering-Effektes. Es wurde gezeigt, dass die Nanor{\"o}hren in das PBI eingebettet werden k{\"o}nnen. Allerdings waren die Streifen noch sehr unregelm{\"a}ßig und die R{\"o}hren in den Streifen nicht ausgerichtet. Die Stabilit{\"a}t der PBI-Nanorohrsuspensionen konnte durch einen Tensidaustausch vom anionischen SDS zum kationischen CTAB verbessert werden. Es konnte gezeigt werden, dass f{\"u}r die Vermeidung von Aggregationen w{\"a}hrend den daf{\"u}r n{\"o}tigen Dialysen unter anderem die m{\"o}glichst geringe Bewegung der Probe entscheidend ist. Außerdem musste die CTABKrafft-Temperatur von 25 °C ber{\"u}cksichtigt werden. Unterhalb dieser Temperatur bildet das Tensid keine Mizellen mehr, was die Suspensionen destabilisiert. Mischexperimente von CTAB-Nanorohrsuspensionen mit L{\"o}sungen aus verschiedenen CTAB:PBI-Verh{\"a}ltnissen lieferten Hinweise darauf, dass CTAB alleine die R{\"o}hren nicht stabilisiern kann. Ein Grund daf{\"u}r k{\"o}nnte eine zu geringe Anzahl an positiven Ladungen auf den R{\"o}hren sein. Demzufolge w{\"a}re immer ein gewisser Anteil an Tensid zur Stabilisierung notwendig. Trotz geringer Tensidbeimischung k{\"o}nnten aber Filme mit in PBI eingebetteten R{\"o}hren hergestellt werden. Unter Umst{\"a}nden k{\"o}nnten die R{\"o}hren auch in die fl{\"u}ssigkristalline Phase des PBIs eingebettet werden. Ein anderer Grund f{\"u}r die nicht ausreichende Stabilisierung k{\"o}nnte sein, dass die PBI-Aggregate nur sehr schlecht aufgetrennt werden. Dann k{\"o}nnte das PBI-Adsorptionsverhalten durch eine Verbesserung der Aggregatauftrennung beeinflusst werden. Zuletzt wurde in der vorliegenden Dissertation die Herstellung von Nanorohrgelfilmen beschrieben. Neben Homogenit{\"a}t durch Nutzung von Gelatine und Stabilit{\"a}t durch Entfernung von Iodixanol sorgte eine Silikonform f{\"u}r eine einheitliche Dicke und Gr{\"o}ße der pr{\"a}parierten (6,5)-Gelfilme. R{\"o}hrenaggregationen w{\"a}hrend der Iodixanolentfernung durch Zentrifugenfiltration konnten auf die Alterung der verwendeten Suspensionen zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die optischen Dichten der so hergestellten Gelfilme standen immer in {\"a}hnlichen Verh{\"a}ltnissen zu denen der Ausgangssuspensionen, sodass die f{\"u}r die Gelfilme ben{\"o}tigten R{\"o}hrenkonzentrationen in den Ausgangssuspensionen relativ genau berechnet werden konnten. Um das Iodixanol f{\"u}r die Herstellung von (6,5)/(6,4)-Gelfilmen effektiv aus den Suspensionen zu entfernen, wurden drei verschiedene Dialysemembranen getestet. Dabei stellte sich die Membran mit einer Porengr{\"o}ße von 50 kD als bester Kompromiss aus effektiver Iodixanolentfernung und geringem R{\"o}hrenverlust heraus. Durch Einengung der (6,5)/(6,4)-Suspension konnten drei Gelfilme mit ausreichend hohen optischen Dichten hergestellt werden, wobei der dritte Film im Gegensatz zu den ersten beiden aufgrund des immer weiter abnehmenden Probenvolumens eine deutliche R{\"o}hrenaggregation zeigt. Dadurch eignen sie sich f{\"u}r weiterf{\"u}hrende Experimente, wo mit Hilfe der Transienten-Absorptionsspektroskopie Untersuchungen zu Energie- und Ladungstransferprozessen zwischen CNTs verschiedener Chiralit{\"a}ten durchgef{\"u}hrt werden k{\"o}nnten.},
  subject      = {Nanor{\"o}hre},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kanal2015,
  author    = {Kanal, Florian},
  title     = {Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy - Technical Improvements and Applications to Ultrafast Molecular Phenomena},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-118771},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Photoinduced processes are nowadays studied with a huge variety of spectroscopic methods. In the liquid phase, transient absorption spectroscopy is probably the most versatile pump-probe technique used to study light-induced molecular phenomena. Optical time-resolved spectroscopy is established in a large number of laboratories and is still further being developed with respect to many technical aspects. Nevertheless, the full potential of shortening the data-acquisition time—necessary for the investigation of rapidly photodegrading samples and observation of macroscopically fast processes—achievable with high-repetition-rate laser systems and shot-to-shot detection was not fully exploited. Especially, shot-to-shot detection is highly beneficial due to the high correlation of subsequent laser pulses. The development and implementation of 100 kHz broadband shot-to-shot data acquisition was presented in Chapter 3. For an established laser dye as a benchmark system, ultrafast excited-state dynamics were measured for the first time with broadband shot-to-shot detection at 100 kHz. An analysis of both the noise characteristics of the employed laser and the correlation of subsequent pulses quantified the advantage of shot-to-shot data acquisition. In the utilized software environment, the time for measuring a complete data set could be sped up by a factor of three or even higher compared to a laser system working at 1 kHz. So far, the limiting factor is the data processing and the movement of the mechanical delay stage. Nevertheless, the new shot-to-shot detection has the potential to shorten the measurement time up to a factor of 100. The data quality is improved by a factor of three when the hitherto conventional averaging scheme is compared to shot-to-shot acquisition for the same number of laser pulses. The expansion of shot-to-shot data acquisition for high repetition rates will allow studies on sensitive samples as exposure times can strongly be reduced to achieve the same signal-to-noise ratio. In addition, multidimensional spectroscopy can also be extended to high-repetition shot-to-shot readout allowing an efficient recording of data. Therefore, in future experiments, dynamics and couplings in sensitive samples and kinetic processes could be studied in more detail. Complex photophysical and photochemical phenomena are subject of many fields of research. Many of these multifaceted processes are not yet fully understood. Therefore, a possible approach is the elucidation of single reaction steps with the combination of transient absorption spectroscopy and a suitable, less complex model system. The systematic variation of the model system's properties and environments, e.g., by chemical substitution or adequate choice of the solvent allows the determination of essential entities and reactivities thereof. Proper knowledge of an individual intermediate step and its determining factors can enhance the understanding of the complete photoreaction process. The application of transient absorption spectroscopy was shown for the optically-induced electron transfer in a series of donor-acceptor oligomers in Chapter 4. In general, the solvent relaxation times were isolated from the back-electron-transfer dynamics by a global lifetime analysis. For the smallest oligomeric structure where complete charge separation is possible, an ultrafast equilibration leads to charge recombination from the configuration showing the lowest barrier for recombination. The back-electron transfer strongly depends on the utilized solvent. Whereas in dichloromethane the back-electron transfer occurs with the maximum rate in the barrierless optimal region, the dynamics in toluene are governed by a Marcus inverted-region effect. The experimentally observed rates were also estimated by theoretical calculations of the respective barriers. The study did not only successfully unravel charge transfer in the oligomeric systems but also improved the understanding of the electron-transfer properties of larger polymers from an earlier study. Therefore, the combination of length variation and time-resolved spectroscopy is an important step towards the correct prediction of charge-carrier dynamics in macroscopic devices, e.g., for photovoltaics. The bond dissociation of a carbon-monoxide-releasing molecule in aqueous solution was studied in Chapter 5 as a prototype reaction for the photo-triggered breaking of a bond. It was shown that upon excitation only one carbon-monoxide ligand of the tricarbonyl complex is dissociated. A fraction of the photolyzed molecules restore the intact initial complex by geminate recombination within the temporal resolution of the experiment. However, the recombination could be detected by the hot ground-state infrared absorption of the complex. The detectable dicarbonyl formed upon CO release distributes excess energy from the absorbed photon into low-frequency modes which result in broadened absorption bands like for the recombined tricarbonyl. The free coordination site in the ligand sphere is filled with a solvent water molecule. Despite numerous studies of metal carbonyls studied in alkaneous solutions, the elucidation of the dynamics of a CORM in aqueous solution added another important detail to the photochemistry of this class of compounds. Experiments employing a second ultraviolet pump pulse did not trigger further CO dissociation and hence no formation of a monocarbonyl species; this might either be due to a different release mechanism without a further photochemical step or a strong spectral shift of the dicarbonyl's absorption. Both reasons could explain why degenerate pump-repump-probe spectroscopy is inefficient. However, further experiments with ultraviolet probe pulses could substantiate whether the intermediate dicarbonyl reacts further photochemically or not. Apart from the model-system character of the CORM for bond dissociation, the study could determine exactly how many CO ligands are initially photolyzed off. Detailed knowledge of the release mechanism will affect the previous use and application as well as the further development of CORMs as therapeutic prodrugs to deliver high local concentrations of CO in cancerous or pathological tissue. Hence, the study of two-photon absorption properties which are important for in vivo applications of CORMs should be the main focus in further spectroscopic experiments. In Chapter 6, both abovementioned molecular phenomena—electron transfer and bond dissociation—were studied in combination. The photochemistry of a tetrazolium salt was studied in detail in a variety of different solvents. Being a relatively small molecule, the studied tetrazolium cation shows a multifaceted photochemistry and is therefore a textbook example for the combination of ultrafast molecular phenomena studied in different environments. Within femtoseconds, the tetrazolium ring is opened. The biradicalic species is then reduced via uptake of an electron from the solvent. The formation of the ring-open formazan photoproduct from this point of the reaction sequence on was excluded by experiments with acidic pH value of the solution. The ring-open radical is stabilized by ring-closure. The resulting tetrazolinyl radical was already observed in experiments with microsecond time resolution. However, its formation was observed in real time for the first time in this study. Irradiation of a tetrazoliumsalt solution yields different photoproduct distributions depending on the solvent. However, it was shown that all photoproducts have a tetrazolinyl radical as a common precursor on an ultrafast time scale. In combination with studies from the literature, the complete photochemical conversion of a tetrazolium salt was clarified in this study. Apart from the prototype character of the reaction sequence, the reaction mechanism will have impact on research associated with life science where tetrazolium assays are used on a daily basis without taking into account of photochemical conversion of the indicating tetrazolium ion and its photochemically formed reactive intermediates. On the basis of the tetrazolium-ion photochemistry, the rich photochemistry of the formazan photoproduct, including structural rearrangements and subsequent reformation of the tetrazolium ion, might be the subject of future studies. This thesis shows a method advancement and application of transient absorption spectroscopy to exemplary molecular model systems. The insights into each respective field did not only enlighten singular aspects, but have to be seen in a much larger context. Understanding complex photoinduced processes bottom-up by learning about their constituting steps—microscopically and on an ultrafast time scale—is an ideal method to approach understanding and prediction of phenomena in large molecular systems like biological or artificial architectures as for example used in photosynthetic light-harvesting and photovoltaics.},
  subject      = {Ultrakurzzeitspektroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gerbich2015,
  author    = {Gerbich, Thiemo M. P.},
  title     = {Pikosekunden-zeitaufgel{\"o}ste Deaktivierungsprozesse in isolierten Molek{\"u}len - Fluorenon, NDCA, Me-NI und NTCDA},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-118654},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die Dynamiken von strahlungslosen Deaktivierungsprozessen von vier verschiedenen Molek{\"u}len im elektronisch angeregten Zustand untersucht. Ein fundiertes Verst{\"a}ndnis der intramolekularen Energieumverteilung in isolierten pi-konjugierten Systemen ist neben dem Modellcharakter auch f{\"u}r Anwendungen in der organischen Elektronik von Interesse. Die Untersuchungen dienen zudem als optimaler Maßstab f{\"u}r theoretische Simulationen, die auf eine Nachbildung der molekularen Dynamik ausgerichtet sind. Die Inbetriebnahme des Pikosekunden-Lasersystems stellt in der Arbeitsgruppe ein großes Potential f{\"u}r die Untersuchung der Dynamik von isolierten pi-konjugierten Molek{\"u}len zur Verf{\"u}gung. Erste Experimente konnten an unterschiedlichen Heterocyclen mit interessantem zeitlichen Verhalten erfolgreich durchgef{\"u}hrt werden und lieferten bereits wichtige Erkenntnisse {\"u}ber die strahlungslose Deaktivierung auf der ps-Zeitskala. Selbst f{\"u}r große Molek{\"u}le mit geringem Dampfdruck, die nur mit hohem experimentellen Aufwand im isolierten Zustand charakterisierbar sind, konnten Relaxationszeiten der angeregten Zust{\"a}nde ermittelt werden. Der Fokus der einzelnen Studien lag in der Erforschung der isolierten Molek{\"u}le, welche durch Anwendung der Molekularstrahl-Technik mit zeitaufgel{\"o}ster REMPI-Spektroskopie anhand des ps-Systems untersucht werden sollten. Zur Kontrolle der experimentellen Ergebnisse wurden zudem Vergleichsmessungen der transienten Absorptionsspektroskopie (TA) in der Fl{\"u}ssigphase herangezogen, wodurch eine fundierte Interpretation der Dynamik m{\"o}glich wurde. Zu den wichtigen Zielen geh{\"o}rten jedoch die Vergleiche der experimentellen Ergebnisse von isolierten Molek{\"u}len mit Berechnungen der Zustandsenergien sowie Simulationen der Molek{\"u}ldynamik aus dem Theorie-Arbeitskreis von Prof. Mitric. Auf diese Weise konnten wichtige Erkenntnisse {\"u}ber die Dynamik der Deaktivierungsprozesse gewonnen werden. Die Kombination der Gasphasen-Experimente mit TA-Messungen in der Fl{\"u}ssigphase hat sich als besonders n{\"u}tzlich erwiesen, um bei mehrstufigen Deaktivierungsprozessen einen erweiterten Einblick in die Dynamik der Molek{\"u}le zu erhalten. - So konnte bei Fluorenon in Cyclohexan und Acetonitril durch Vergleich der Anregungen des S3- und S1-Zustands eine zus{\"a}tzliche Zeitkonstante von 8-16 ps beobachtet werden, welche die innere Umwandlung zum S1-Zustand dokumentiert und die Ergebnisse der Gasphasen-Messungen best{\"a}tigt. - Durch Verwendung von L{\"o}sungsmitteln unterschiedlicher Polarit{\"a}t und der damit verbundenen Verschiebung der elektronischen Zust{\"a}nde von Fluorenon konnte zudem der zweite Deaktivierungsprozess eindeutig einem ISC-Prozess mit Zeitkonstanten von 120-154 ps zugeordnet werden. In der Gasphase wurde dieser Prozess lediglich als langlebiger Offset wahrgenommen. - Unterschiedliche Anregungsenergien zeigten bei TA-Messungen von NDCA eine nahezu identische Molek{\"u}ldynamik mit ca. 200 ps, w{\"a}hrend f{\"u}r isoliertes NDCA ein starker Abfall der Lebensdauer mit zunehmender Schwingungsenergie beobachtet wurde. In der Gasphase wird somit von einer Deaktivierung {\"u}ber eine Energiebarriere ausgegangen, w{\"a}hrend in L{\"o}sung eine zu schnelle Abk{\"u}hlung durch Schwingungsrelaxation diesen Prozess verhindert. - Bei NTCDA konnten in den TA-Messungen nach Anregung des S1-Zustands eine Relaxation in die Triplett-Umgebung innerhalb von wenigen Pikosekunden beobachtet werden, was im Einklang mit der sehr schnellen Deaktivierung in der Gasphase betrachtet werden kann. Eine ausf{\"u}hrliche Vergleichsstudie von isolierten Molek{\"u}len mit computergest{\"u}tzten Rechnungen und Simulationen wurde f{\"u}r die Molek{\"u}le NDCA und Me-NI durchgef{\"u}hrt. Dabei wurde explizit auf den Einfluss von Spin-Bahn-Kopplungen und konischen Durchschneidungen eingegangen, welche zu konkurrierenden Deaktivierungsprozessen des S1-Zustands f{\"u}hren k{\"o}nnen. - Durch Simulationen der Surface-Hopping-Dynamik wurde deutlich, dass bei NDCA und Me-NI im ersten angeregten Zustand eine konische Durchschneidung (CI) zwischen dem S1- und S0-Zustand erreicht werden kann. - W{\"a}hrend die Dynamik von NDCA bei h{\"o}herer Schwingungsanregung stark durch die CI dominiert wird, spielt die direkte Relaxation in den elektronischen Grundzustand bei Me-NI offenbar keine Rolle. - In Abwesenheit der CI zeigen NDCA und Me-NI in einer mit Spin-Bahn-Kopplung erweiterten Simulation der Populationsdynamik einen signifikanten Populationstransfer in die Triplett-Umgebung (T1-T4). Eine innere Umwandlung in den Grundzustand konnte jedoch nur bei Erreichen der CI beobachtet werden. Eine weitere Verbesserung der ps-Experimente kann durch Aufbau eines Photoelektronen-Spektrometers erreicht werden, da durch diese Technik eine pr{\"a}zisere Aussage dar{\"u}ber getroffen werden kann, aus welchem elektronischen Zustand die Molek{\"u}le ionisiert wurden. Eine Unterscheidung von ISC- und IC-Prozessen k{\"o}nnte somit gew{\"a}hrleistet werden.},
  subject      = {REMPI},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Voelker2014,
  author    = {V{\"o}lker, Sebastian},
  title     = {Synthesis, Spectroscopic and Electrochemical Properties of Squaraine Polymers},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101638},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In this work the synthesis, the spectroscopic and electrochemical investigation as well as some applications of a broad diversity of indolenine squaraine dyes were presented. This diversity was based on two parent squaraine dyes, one standard trans-configured compound (M1) and one in which one central oxygen atom was replaced by a dicyanomethylene moiety (M2), which increased the acceptor strength and induced a cis-configuration. The variety of synthesised dyes included functionalised squaraine monomers, donor- and acceptor-substituted monomeric model squaraines, donor- and acceptor-squaraine copolymers, pure squaraine homopolymers, a squaraine-squaraine copolymer, as well as some conjugated cyclic oligomers. In order to be able to synthesise all these different kinds of dyes, several bromine and boronic ester derivatives were synthesised, which enabled the use of the Suzuki cross coupling reaction, to generate model dyes and copolymers. In addition, the bromine derivatives were used to carry out the Yamamoto homocoupling reaction to the respective homopolymers and macrocycles. The absorption maximum of unsubstituted reference dye M1 was found at ~ 15500 cm-1, while that of M2 was red-shifted to ~ 14300 cm-1 due to the increased acceptor strength of the central unit. The extinction coefficients were in the order of ~ 300000 M-1 cm-1 and ~ 200000 M-1 cm-1, respectively. It was found that the implementation of functional groups (M3-M9), additional electron donors (M10-M19) or acceptors (M20-M22) at the periphery lead to bathochromic shifts of the absorption depending on the strength of either - and/or -donating properties of the substituents. For the bis- and triarylamine substituted dyes M10-M13 and the dibrominated dyes M5 and M7 the electronic structure of the mono- and diradical (di)cations was explored using the interplay of cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry, and DFT calculations. It was demonstrated that the monoradical cations still show a cyanine-like character and are delocalised Robin-Day class III species due to the low redox potential of the squaraine bridge between the additional amine redox centres. To the best of my knowledge, this made M13+∙, with an N-N-distance of 26 bonds between the additional redox centres to the longest bis(triarylamine) radical cation that is completely delocalised. For the diradical dications, the situation was of larger complexity. The computed most stable energetic state of the dianisylamine-substituted dyes turned out to be a broken-symmetry state with almost equal contributions of an open-shell singlet and triplet state. In addition, it was shown that the HOMO-1→HOMO transition dominated the absorption spectra of the diradical dications where the trans-/cis-configuration of the squaraines had a direct impact due to symmetry reasons. Based on the donor-squaraine model compounds M10-M19, a series of donor-squaraine copolymers was synthesised (P7-P12) in order to further red shift and broaden the low energy absorption band. However, these effects were only of marginal extent. Both the optical and the electrochemical derived band gaps were barely lowered compared to the respective monomeric model dyes. This was assigned to an increased squaraine-squaraine distance and resulting lower exciton coupling between the squaraine chromophores due to the bridging units. In addition, according to semiempirical calculations the bridges were twisted out of the squaraine plane what reduced conjugational effects between the chromophores. To sum up, the idea to insert additional electron rich bridging units in order to create copolymers with broad and red-shifted absorption did not fully work out for the presented systems. The addition of strong electron accepting NDI units at the periphery resulted in M21, the most unique monomeric model squaraine in this work. The common picture of a sharp low energy squaraine absorption completely altered due to the addition of the NDIs and a rather broad and solvent dependent low energy absorption was found. Spectroelectrochemical experiments and semiempirical calculations showed that this band is a superposition of the common squaraine HOMO→LUMO transition and a partial squaraine→NDI charge transfer transition. The latter was lost upon oxidation of the squaraine and the absorption spectrum of the monocation of M21 was found to be nearly a 1:1 image of a pure squaraine monocation. Both the monomeric model M21 and the respective copolymer P13 showed low electrochemically obtained band gaps of 1.05-1.20 eV, which were the lowest of all squaraines in this work. For both dyes, transient absorption measurements in the fs-time regime revealed the ultrafast formation of a CS state via an intermediate CT state within a few ps. Besides, charge recombination to the ground state also occured within a few ps. In the polymer, there was barely any further energy or charge transfer within the excited state lifetime and therefore the CS state was confined on adjacent squaraine-NDI pairs and did not further travel along the polymer strand. The Ni-mediated Yamamoto homocoupling reaction was applied for the synthesis of the homopolymers (P1-P5). In contrast to the donor-squaraine copolymers, those polymers revealed strongly red-shifted and broad absorption in the red to NIR region in addition to a sharp fluorescence. These features could be explained to originate mainly from the exciton coupling of localised excited states and the presence of different superstructures in solution. For the polymers P1 and P2, an elongated J-type polymer chain caused the strong lowest energy absorption band whereas a zig-zag type arrangement of the single chromophores lead to transitions into both low and high energy excited states of the excitonic manifold. For the polymers P3 and P4, several polymer fractions of different size were investigated. Here, also an elongated chain with J-type character induced the lowest energy absorption band whereas a helical H-type arrangement caused transitions to higher energies of the excitonic manifold. The fractions to which these structures were formed depended on the chain length and the solvent. In thin film measurements, it was shown that the initially in solution formed superstructures were partly retained in the thin film but could be altered by annealing procedures. A control of the superstructures should enable the controlled tuning of the optical properties. Despite the strong interaction of the chromophores in the excited state, the redox potentials of the homopolymers barely differed to those of the respective reference dyes, indicating negligible electronic interaction in the ground state. In addition squaraine-squaraine copolymer P6, consisting of alternating parent dyes M1 and M2, was synthesised. Likewise to the homopolymers, a broad and red-shifted absorption was observed. This was explained by exciton coupling theory, which was extended to also suit alternating copolymers. In toluene, an extraordinary narrow and intense lowest energy absorption band was observed. This exchange narrowing might be a result of a highly ordered J-type structure of the polymer especially in this solvent because it was not found in others. The features of the polymer may be compared to typical J-aggregates formed from monomeric cyanine molecules for example and the polymer used as model for excitonic interactions in an alternating copolymer. Transient absorption measurements revealed a strong energy dependence of the decay traces of the copolymer, most strikingly at early decay times. This was assigned to the occurrence of multiple excitations of one polymer strand (due to the large extinction coefficients of the polymer) and resulting exciton-exciton annihilation. Due to the large exciton diffusion constants that were estimated, the static exciton-exciton annihilation was the rate limiting process of the decay, in contrast to other conjugated polymers, where in thin film measurements the decay was diffusion controlled. To sum up, for the polymers consisting of exclusively squaraine chromophores, it was shown that the exciton coupling of single chromophores with strong transition dipole moments was a fruitful way to tune the absorption spectra. As a side product of some of the polycondensation reactions, unprecedented cyclic conjugated oligomers such as the triarylamine-bridged dimer Dim1, the cyclic homotrimers Tri1-Tri3, and the tetramer Tet1 were obtained by recycling GPC in low yields. Especially the cyclic trimers showed unusual absorption and even more extraordinary fluorescence properties. They showed multiple fluorescence bands in the NIR that covered a range from ~ 8000-12500 cm-1 (800-1250 nm). First hints from theoretical calculations indicated that the trimer was not fully planar but comprised a mixture of both planar and bent single squaraine chromophores. However, final results of the calculations were still missing at the time of writing. In the last part of this work, the application of some monomeric and polymeric squaraines in binary and ternary bulk heterojunction solar cells was demonstrated. Also the utilisation as a dopant in a polymer matrix in an OLED device was shown. The homopolymers P1-P4 were tested in the binary BHJ solar cells revealing poor performances and especially very low short circuit currents. The utilisation of the polymers P3 and P4 that carried the dicyanomethylene group resulted in higher open circuit voltages due to the lower LUMO energy levels but still an overall poor performance. Neither for the different alkyl chains nor for the size of the polymers was a trend observed. In the ternary BHJ solar cells, small amounts of either monomer M14 or polymers P1A, P4-1 or P13 were added to a P3HT/PCBM system in order to generate an additional pathway for charge or energy transfer that should result in a better device performance. However, for none of the tested squaraines, improved solar cells could be built. In similarity to the binary solar cells, the short circuit currents were lower compared to a P3HT/PCBM reference device. These low short circuit currents indicated that the morphology of the squaraine dyes was the major limitation in those devices. It is possible that the dimethyl groups at the indolenine hindered a favoured alignment of the compounds that would allow decent charge transport. In the squaraine doped OLED the squaraine M6 worked rather well as an NIR emitter. Already at low dye loads the fluorescence of the host polymer SY-PPV was completely quenchend and emission from the squaraine was observed. For electroluminescence measurements, a lower dye load (0.5 wt.\%) compared to the photoluminescence measurements was sufficient, indicating that apart from FRET additional quenching mechanisms were at work in the electrically driven devices such as charge carrier dynamics.},
  subject      = {Squaraine},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Ruetzel2014,
  author    = {R{\"u}tzel, Stefan},
  title     = {Pulse-Sequence Approaches for Multidimensional Electronic Spectroscopy of Ultrafast Photochemistry},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-98993},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Observing chemical reactions in real time with femtosecond laser pulses has evolved into a very popular � field of research since it provides fascinating insights into the nature of photochemical transformations. Nevertheless, many photochemical reactions are still too complex for which reason the underlying mechanisms and all engaged species cannot be identi� fied thoroughly. In these cases, conventional time-resolved spectroscopy techniques reach their technical limits and advanced approaches are required to follow the conversion of reactants to their products including all reaction intermediates. The aim of this work was therefore the development of novel methods for ultrafast spectroscopy of photoreactive systems. Though the concept of coherent multidimensional spectroscopy has so far exclusively been used to explore photophysical phenomena, it also offers great potential for the study of photochemical processes due to its capability of extracting spectroscopic information along several frequency dimensions. This allows resolving the photochemical connectivity between various interconvertible molecular species with ultrafast temporal resolution on the basis of their absorption and emission properties as the spectral correlations are explicitly visualized in the detected spectra. The ring-open merocyanine form of the photochromic compound 6-nitro BIPS was studied in Chap. 4 of this work. Merocyanines and their associated ring-closed spiropyrans are promising candidates for future applications as, for instance, molecular electronics or optical data storage due to their unique property of being switchable between two stable con� gurations via light illumination. Transient absorption with sub-50 fs temporal resolution and broadband probing was employed to characterize the photodynamics of this system with variable excitation wavelengths. Using global data analysis, it could be inferred that two different merocyanine isomers with differing excited-state lifetimes exist in solution. These isomers differ in the cis/trans con� guration in the last bond of the methine bridge. The minority of isomers exist in the all-trans con� guration (TTT) while the isomer with a cis con� guration of the third dihedral angle (TTC) is dominant. A characteristic band, detected after long pump-probe delays, was attributed to the unidirectional cis->trans photoisomerization reaction of the TTC to the TTT form. The quantum yield of the reaction was estimated to be (18� +-4) \%. In addition, pronounced coherent vibrational wave-packet oscillations were observed and it was concluded that these signatures are related to the product formation. Coherent two-dimensional electronic spectroscopy was successfully implemented using a partially collinear pump-probe beam geometry in combination with a femtosecond pulse shaper. The use of a whitelight probe continuum enabled us to probe contributions far-off the diagonal over the complete visible range. By properly adjusting the relative phase between the � first two laser pulses with the pulse shaper, the principle of phase-cycling was explained and it was demonstrated that the measurement can be carried out in the so-called "rotating frame" in which the observed frequencies detected during the coherence time are shifted to lower values. It was shown that these concepts allow the extraction of the desired background-free photon echo while the amount of necessary data points is highly reduced. In order to put our proposal of multidimensional spectroscopy of photoreactive systems into practice, third-order two- and three-dimensional spectroscopy was then employed for an in-depth analysis of a photoreactive process, in which the photoisomerization of 6-nitro BIPS served as a model system. The measured two-dimensional spectra revealed the cis->trans photoisomerization after long population times. By collecting a large data set of two-dimensional spectra for short population times and by applying a Fourier transform along the population time axis, the third-order three-dimensional spectrum was obtained. The novelty of this approach compared to coherent two-dimensional spectroscopy is the introduction of a third axis associated with the vibrational frequencies of the molecular system. In this way, the formation of the reaction product was evidenced and it was shown that the product is formed in its fi� rst excited singlet state within 200 fs after excitation. This method hence visualizes the photochemical connections between different reactive molecular species in an intuitive manner and further exposes the normal modes connecting reactant and product. Such conclusions cannot be drawn with conventional third-order techniques such as transient absorption since they are not capable of capturing the full third-order response, but only a subset of it. The reaction mechanism and the role of the observed vibrational modes were uncovered by comparing the experimental data with the results of high-level quantum-chemical calculations performed by our collaborators in the group of Prof. B. Engels from the theoretical chemistry department at the University of W{\"u}rzburg. Specifi� c calculated molecular normal modes could be assigned to the experimentally observed vibrational frequencies and potential energy surfaces of the electronic ground state and of the � first excited state were computed. The technique implemented in this chapter is general and is applicable for the time-resolved analysis of a wide range of chemical reaction networks. In the fi� rst part of Chap. 5, coherent two-dimensional spectroscopy was employed to track the reaction paths of the related 6,8-dinitro BIPS after S1 excitation. Several differences to the photochemical properties of 6-nitro BIPS were found. From the 2D spectra, the cis-trans isomerization between the two merocyanine isomers could be excluded as a major reaction path for this compound. To explore the dynamics after reexcitation to higher-lying electronic states, pump-repump-probe spectroscopy was implemented and the formation of a new species, a radical cation, was observed. To identify the precursor isomer, triggered-exchange two-dimensional spectroscopy, a � fifth-order technique previously only available in the infrared regime for vibrational transitions, was implemented for the fi� rst time for electronic excitations in the visible. This approach combines the properties of the pump-repump-probe technique with the potential of coherent two-dimensional spectroscopy. It correlates the absorption frequency of a reactive molecular species with the emission signatures of the product formed from this species after an additional absorption of a photon. Using this method, it was unambiguously proven that only the TTC isomer reacts to the radical cation thus forming the precursor species of the reaction. Electronic triggered-exchange two-dimensional spectroscopy is hence another improved technology for time-resolved spectroscopy with applications in the study of multistep photoreactions and higher-lying electronic states. While in the two preceding chapters third- and � fifth-order experiments were discussed that neglect the vectorial character of light-matter interactions, Chap. 6 focused on a novel theoretical formalism enabling the description of light fi� elds optimized for polarization-sensitive higher-order nonlinearities. This formalism is based on the von Neumann time-frequency representation of shaped femtosecond laser pulses which permits the defi� nition of multipulse sequences on a discrete time-frequency lattice. Hence, not only the temporal spacing between subpulses is adjustable, but also the center frequencies may be adapted such that they � fit the experimental requirements. This method was generalized to the description of pulse sequences with time-varying polarization states. It was shown that by using this description, the polarization ellipticity, orientation angle, relative phase and intensity, and the time-frequency location of each subpulse is explicitly controllable. The accuracy of the transformations from Fourier space to von Neumann domain and vice versa was demonstrated. Moreover, a strict accordance between the von Neumann polarization parameters with the conventional parameters in time domain was found for well separated subpulses. A potential future application of this approach is polarization-sensitive multidimensional spectroscopy in which hidden cross peaks may be isolated by de� fining the pulses in the von Neumann picture with suitable polarization sequences. This method could also be used in quantum control experiments in which the polarization of the light fi� eld is used as a major control knob. This thesis summarizes our efforts to open the � field of femtochemistry to the concept of coherent multidimensional electronic spectroscopy. Making use of femtosecond pulse shaping, sub-50 fs temporal resolution, broadband spectral probing, higher-order nonlinearities, and new types of laser pulse descriptions, the presented methods might stimulate further future advancements in this research area.},
  subject      = {Ultrakurzzeitspektroskopie},
  language  = {en}
}