TY  - THES
A1  - Fuchs, Oliver
T1  - Soft x-ray spectroscopy of organic molecules and liquids
T1  - Spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung an organischen Molekülen und Flüssigkeiten
N2  - In this thesis, soft x-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of the electronic structure of selected organic molecules and liquids were carried out. The first part focuses on the used experimental techniques and the development of the instrumentation necessary for these studies, namely a soft x-ray spectrometer, and a temperature-controlled flow-through liquid cell. The former was optimized by a special analytical ray tracing method developed exclusively for this purpose. Due to its high transmission, the spectrometer facilitates a novel experimental approach of recording comprehensive 'RIXS maps', which are 2-dimensional plots of x-ray scattering intensities as a function of both, excitation and emission photon energy. The liquid cell extends these possibilities to the study of liquids, especially the interaction of molecules in liquids and their chemical reactions under well-controlled conditions. Organic molecules have attracted considerable attention in the last decade. The intense research activities related to these materials have two main motivations: on the one hand, organic molecules have a technological application as building blocks of organic semiconductors, while, on the other hand, organic molecules are the functional elements in biological systems. In order to cost-effectively produce optimized organic electronic devices, a fundamental knowledge of the electronic properties of the organic molecules interface is necessary. Therefore, many studies of the electronic structure of potential candidates for organic electronics exist. Two of these candidates, namely C60 and well-ordered multilayers PTCDA on a Ag(111) surface are investigated in this thesis. For the study of C60 molecules, a comprehensive 'RIXS map' was recorded and analyzed. The RIXS map taken in only 25 minutes allows a quantitative analysis of energy losses, yielding for example the HOMO-LUMO distance. It also identifies a core-excitonic state and facilitates a quantitative comparison of its binding energy with that of valence excitons in C60. Furthermore, decay channel-selective partial fluorescence yield XAS spectra can be extracted from the RIXS map, yielding information on the population of the core-excitonic state as a function of excitation energy. As a second model system of organic molecules relevant for organic electronics, PTCDA was chosen. The complex electronic structure of the occupied states of a highly ordered, flat-lying PTCDA multilayer on a Ag(111) surface was investigated by symmetry-resolved resonant x-ray emission spectroscopy. The rapidly occurring beam damage effects were characterized on the basis of irradiation-time dependent series of C and O x-ray emission spectra. Upon varying the excitation energy and emission geometry, atom- and symmetry-specific carbon K emission spectra with negligible beam damage effects were obtained that allow to distinguish between electronic states with sigma and pi symmetry. A density functional theory calculation of the PTCDA molecule reproduces the energy positions of the most prominent emission features remarkably well. In addition, the energy positions of the sigma and pi emissions agree well with the calculated energies of the respective orbitals. In order to shed light on the second aspect of organic molecules, namely their role in biological systems, first a detailed investigation of the electronic structure and proton dynamics of liquid water as the medium of most chemical and biochemical reactions was carried out. Therefore, a comprehensive oxygen K RIXS map of liquid water was recorded and analyzed in great detail. A temperature-dependent comparison with XAS and RIXS data of D2O, NaOH, and NaOD leads to the conclusion, that ultra-fast dissociation takes place in liquid water on the timescale of the oxygen 1s core hole lifetime, resulting in a characteristic spectral contribution in the RIXS spectra. The dissociation is promoted by intact hydrogen bonds with neighboring molecules. In consequence, the rate of dissociation directly depends on the initial hydrogen bond configuration. In the next step towards biologically relevant systems, the nitrogen K edges of the amino acids glycine and histidine were investigated in powderous form as well as in their native environment, namely in aqueous solution. X-ray absorption and emission spectra of the aqueous solutions were analyzed at pH-values of 6 and for glycine also at pH 12 and compared to the spectra of powders. A pH-value of 12 causes deprotonation of the amino group, leading to significant changes in the nitrogen spectra as compared to pH 6. The results from these four examples demonstrate that a wealth of novel information can be obtained by using the new experimental tools developed in this thesis, namely a highly sensitive x-ray spectrometer and a flow-through liquid cell.
N2  - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der elektronischen Struktur ausgewählter organischer Moleküle und Flüssigkeiten mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS). Der erste Teil beschreibt die verwendeten spektroskopischen Methoden und die Entwicklung der dafür notwendigen Geräte, insbesondere eines Röntgenspektrometers und einer temperierten Durchflussnasszelle. Ersteres wurde mittels einer eigens dafür entwickelten analytischen Raytracing-Methode optimiert. Aufgrund seiner hohen Transmission ermöglicht das Spektrometer einen für weiche Röntgenstrahlung neuartigen experimentellen Ansatz, nämlich die Aufnahme einer umfassenden RIXS-Karte. Das ist eine 2-dimensionale Auftragung der Röntgenstreuintensität als Funktion der Anregungs- und der Emissionsphotonenenergie. Die Nasszelle erweitert diese experimentellen Möglichkeiten auf die Untersuchung von Flüssigkeiten. Organische Moleküle haben im letzten Jahrzehnt erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die intensiven Forschungsaktivitäten an diesen Materialen haben zwei Hauptmotivationen: einerseits haben organische Moleküle technologische Anwendung als organische Halbleiter, und andererseits sind organische Moleküle die funktionalen Einheiten in biologischen Systemen. Um optimierte organische Halbleiterbauelemente kostengünstig produzieren zu können, muss man über die elektronischen Eigenschaften der organischen Moleküle genauestens Bescheid wissen. Deshalb wurde bereits eine Vielzahl an Untersuchungen potentieller Kandidaten für organische Halbleiterbauelemente durchgeführt. Zwei dieser Kandidaten, nämlich C60 und wohlgeordnete Multilagen von PTCDA auf einer Ag(111)-Oberfläche werden in dieser Arbeit untersucht. Für die Untersuchung der C60 Moleküle wurde eine RIXS-Karte aufgenommen und analysiert, woraus sich direkt die HOMO-LUMO Distanz ergab. Außerdem lässt sich die Existenz eines rumpfexzitonischen Zustands beobachten, dessen Bindungsenergie man quantitativ mit der Valenzexzitonenbindungsenergie in C60 vergleichen kann. Überdies können aus der RIXS-Karte Zerfallskanal-selektive Fluoreszenzausbeute XAS Spektren extrahiert werden, die zum Beispiel Auskunft über die Besetzung des rumpfexzitonischen Zustands als Funktion der Anregungsenergie geben. Als zweites Modellsystem wurde PTCDA ausgewählt, das mittels symmetrieaufgelöster resonanter Röntgenemissionsspektroskopie untersucht wurde. Die dabei rasch einsetzenden Strahlenschäden wurden anhand von Bestrahlungsdauer-abhängigen Serien von Kohlenstoff- und Sauerstoffspektren charakterisiert. Durch Variation der Anregungsenergie und Emissionsgeometrie wurden atom- und symmetriespezifische Kohlenstoffspektren mit vernachlässigbarem Strahlenschaden gewonnen. Diese erlauben die Unterscheidung von elektronischen Zuständen mit sigma- und pi-Symmetrie. Eine Dichtefunktionaltheorie-Rechnung stimmt bemerkenswert gut mit den Energiepositionen der spektralen Signaturen überein. Darüberhinaus passen die spektralen sigma- und pi-Anteile zu den Symmetrien der berechneten Orbitale an den jeweiligen Energiepositionen. Um den zweiten Aspekt organischer Moleküle, nämlich ihre Rolle in biologischen Systemen zu beleuchten, war es zunächst notwendig, die elektronische Struktur und Protonendynamik von flüssigem Wasser zu studieren, das bekanntermaßen das Medium vieler chemischer und biochemischer Reaktionen darstellt. Zu diesem Zweck wurde eine vollständige RIXS-Karte der Sauerstoff K Kante aufgenommen und im Detail analysiert. Ein temperaturabhängiger Vergleich mit XAS and RIXS Daten von D2O, NaOH und NaOD erlaubt die Schlussfolgerung, dass ultra-schnelle Dissoziation auf der Zeitskala der Sauerstoff 1s Rumpflochlebensdauer in flüssigem Wasser stattfindet, die zu einer charakteristischen spektralen Signatur in den RIXS Spektren führt. Diese Dissoziation wird gefördert durch intakte Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Wassermolekülen. Damit hängt die Dissoziationsrate direkt von der Ausgangskonfiguration der Wasserstoffbrückenbindungen ab. Im nächsten Schritt in Richtung biologisch relevanter Systeme wurde die Stickstoffkante der Aminosäuren Glyzin und Histidin sowohl in Pulverform als auch in wässriger Lösung untersucht. Röntgenabsorptions- und -emissionsspektren der wässrigen Lösungen wurden bei pH-Werten von 6 und im Falle des Glyzins auch bei pH 12 analysiert und mit den Pulverspektren verglichen. Ein pH-Wert von 12 führt zur Deprotonierung der Aminogruppe, was zu signifikanten Änderungen in der spektralen Signatur der Stickstoffspektren führt. Die Ergebnisse dieser vier Beispiele demonstrieren, dass eine Vielfalt neuartiger Information gewonnen werden kann durch die Anwendung der neuen experimentellen Werkzeuge, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, nämlich eines hochempfindlichen Röntgenspektrometers und einer Durchflussnasszelle.
KW  - Organisches Molekül
KW  - Elektronenstruktur
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Energiedispersive Röntgenspektroskopie
KW  - Buckminsterfulleren
KW  - Molekularbewegung
KW  - Molekül
KW  - Molekülsymmetrie
KW  - Molekülzustand
KW  - Organisches Molekül
KW  - x-ray emission spectroscopy
KW  - x-ray absorption spectroscopy
KW  - organic molecules
KW  - liquids
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-37055
ER  - 
TY  - THES
A1  - Holch, Florian
T1  - Investigation of Intermolecular Interaction in Organic Thin Films by means of NEXAFS Spectroscopy
T1  - Untersuchung der Intermolekularen Wechselwirkung in Organischen Dünnschichten mittels NEXAFS Spektroskopie
N2  - The present work reports on the electron–vibron coupling in large organic molecules and particularly on the intermolecular interaction in molecular condensates. The optical and electrical properties of these organic systems are in the focus of attention due to their crucial importance for the development of (hybrid) organic electronic devices. In particular, the charge transport mechanism and hence the interaction between condensed molecules is a matter of debate [1–4]. In order to shed light on this interaction, the spectroscopic signatures of isolated molecules in the gas phase and their condensed counterparts have been studied. The applied technique, near–edge x–ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, is a local probe with high chemical selectivity, well suited for the investigation of the electronic structure of molecular valence levels [5]. In the experimental part, the experimental set–up developed in this work is described with special attention to the characteristic issues of gas phase measurements, energy calibration and the subsequent data evaluation. The high quality gas phase and solid state NEXAFS spectra are analysed with respect to energy positions, shape and intensity of the sharp pi*–resonances characteristic for these aromatic molecules. Where applicable, a detailed Franck–Condon (FC) analysis of the vibronic fine structure has been performed, yielding additional information on the changes that occur upon solid state formation. Together with former results on vibrational features in large organic molecules, this information has been used to investigate the correlation of vibrational energies in the ground and electronically excited state. We find a relatively good agreement with other empirical studies on vibronic structures in photoelectron spectroscopy (PES) spectra of small molecules [6]. The molecular compounds investigated are in general believed to interact via weak van–der–Waals forces only. The present results however reveal distinct differences between the spectra of the gas and solid phase that can not be explained within the context of a mere interaction by dispersive forces. In detail, differential red–shifts of 0.1 to 0.3eV of transitions assigned to the aromatic system have been observed in the C–K spectra of benzene–tetracarboxylic acid dianhydride (BTCDA), 1,4,5,8–naphthalene–tetracarboxylic acid dianhydride (NTCDA), and 3,4,9,10–perylene–tetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA) upon solid state formation. From BTCDA to PTCDA the shift increases, indicating an improving intermolecular interaction with molecular size or a closer molecular packing. In contrast, all transitions assigned to the anhydride carbon atom (C1) do not show any shift. For the O–K spectra, small changes in relative intensity have been observed for BTCDA and NTCDA. In case of PTCDA, a blue–shift of up to 0.2eV is evident for the OB 1sLEMO+1 transition. Theoretical models for the intermolecular interaction have been proposed in this work, based on a change of molecular geometry and interaction of adjacent molecules in the ground and excited state, respectively. While an interaction of adjacent molecular orbitals may explain the experimental findings for one particular molecule, this model falls short for a comprehensive explanation of all three dianhydrides. For an interaction in the excited state, the excitonic coupling with the neighbours attached at an angle, quantum chemical calculations yield no significant change in peak positions for NTCDA. Unfortunately, results for the stacked neighbours as well as the larger compound PTCDA are still lacking. For tris (8–quinolinol) aluminum (Alq3), the observed peak–shifts are restricted to just one unoccupied orbital, the LEMO+2, which is mainly localised at the phenoxide side of the quinolinol ligands. Although the shifts differ for the individual edges, the main interaction can therefore be assigned to this orbital. In summary, NEXAFS spectroscopy, if performed with great care in terms of experimental details and data analysis especially for the gas phase data, provides very detailed and highly interesting data on the changes of the electronic structure of organic molecules upon condensation. The present data can be applied as a reference for further experimental and (highly desired) theoretical investigations, which are needed for a comprehensive understanding of the complex interaction mechanisms between organic molecules.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Kopplung vibronischer und elektronischer Anregungen in großen organischen Molekülen. Die Mechanismen des Ladungstransportes und damit auch die zu Grunde liegende Wechselwirkung dieser Moleküle im Festkörper sind immer noch Gegenstand aktueller Diskussionen [1–4]. Mit der Untersuchung der spektroskopischen Eigenschaften von einerseits freien, also gasförmigen Molekülen, andererseits von (stark) wechselwirkenden Molekülen im Festkörper soll mit der vorliegenden Arbeit ein Beitrag zum besseren Verständnis der intermolekularen Wechselwirkung geleistet werden. Als Methode wurde die Röntgen–Nahkanten–Spektroskopie (NEXAFS) angewandt, die durch ihre chemische Selektivität lokale Informationen über die elektronische Struktur der Valenzzustände der untersuchten organischen Moleküle liefern kann [5]. Im experimentellen Teil wird eine Apparatur zur Untersuchung der organischen Moleküle in der Gasphase, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, vorgestellt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Besonderheiten der Gasphasenmessungen sowie der Energiekalibrierung und anschließenden Datenauswertung. Die qualitativ hochwertigen Spektren werden nach Gesichtspunkten der energieposition, Form und Intensität der für die organischen Moleküle typischer Weise sehr scharfen pi* Resonanzen ausgewertet. Für Spektren mit gut aufgelöster Feinstruktur wurde die darunter liegende Schwingungsstruktur mit Hilfe einer Franck–Condon Auswertung untersucht, woraus sich weitere Informationen über die Einflüsse im Festkörper gewinnen ließen. Die dabei gesammelten Daten wurden zusammen mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen der Schwingungsfeinstruktur organischer Moleküle herangezogen, um den Zusammenhang zwischen den Schwingungsenergien im elektronisch angeregten und im Grundzustand zu bestimmen. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung mit empirischen Untersuchungen der Schwingungsstruktur kleiner Moleküle anhand von Photoelektronenspektroskopie (PES) [6]. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen ausgeprägte Unterschiede in den Spektren der verschiedenen Phasen, die sichnicht im Rahmen einer Wechselwirkung durch rein dispersive Kräfte erklären lassen. Im Einzelnen traten zwischen den Gasphasen– und Festkörperspektren der C–K Kanten von 1,2,4,5–Benzoltetracarbonsäuredianhydrid BTCDA, 1,4,5,8–Naphthalintetracarbonsäuredianhydrid NTCDA und 3,4,9,10–Perylentetracarbonsäuredianhydrid PTCDA Rotverschiebungen von 0,1 bis 0,3eV auf. Die entsprechenden elektronischen Übergänge sind jeweils dem aromatischen System zugeordnet und zeigen in der Reihe von BTCDA zu PTCDA eine zunehmende Verschiebung. Dies deutet auf eine verstärkte Wechselwirkung bei größeren Molekülen, beziehungsweise bei einer dichteren Packung hin. Übergänge die dem Anhydrid Kohlenstoff (C1) zugeordnet sind, zeigen jedoch keinerlei Verschiebung. Die Spektren der O–K Kanten von BTCDA und NTCDA weisen lediglich eine leichte Veränderung der relativen Intensitäten auf. Im Falle von PTCDA wurde eine Blauverschiebung von bis zu 0,2eV für den OB 1s LEMO+1 Übergang beobachtet. In dieser Arbeit werden einige theoretische Modelle vorgeschlagen, die auf einer Änderung der Molekülgeometrie bzw. einer Wechselwirkung der Molekülorbitale sowohl im Grund– als auch im angeregten Zustand basieren. Betrachtet man lediglich eine einzelne Molekülsorte, so liefert z.B. eine Wechselwirkung der Orbitale benachbarter Moleküle eine zufriedenstellende Erklärung für die beobachteten Änderungen. Bei einer umfassenden Betrachtung aller Moleküle der Dianhydrid Gruppe scheitert dieses Modell jedoch. Erste quantenchemische Berechnungen der Wechselwirkung mittels einer exzitonischen Kopplung der NTCDA Moleküle mit ihren gewinkelten Nachbarn lieferten keine nennenswerten Verschiebungen der Resonanzenergien. Weiterführende Rechnungen dieser Art stehen jedoch für die gestapelten Nachbarn sowie für das größere PTCDA noch aus. Bei dem Molekül Tris(8-chinolinol)aluminium Alq3 lassen sich alle beobachteten Verschiebungen einem Orbital, dem LEMO+2 zuordnen. Obwohl die Verschiebungen für die verschiedenen Absorptionskanten unterschiedlich sind, lässt sich die Wechselwirkung des Moleküls somit diesem Orbital, das an der Phenolat Seite des Liganden lokalisiert ist, zuordnen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Röntgen–Nahkanten Spektroskopie hochinteressante und sehr genaue Informationen über die Änderung der elektronischen Struktur organischer Moleküle beim Übergang in die kondensierte Phase liefern kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als eine Referenz für zukünftige experimentelle und theoretische Untersuchungen betrachtet werden. Für ein umfassendes Verständnis der komplexen Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen sind diese weiteren Untersuchungen unabdingbar.
KW  - Organisches Molekül
KW  - NEXAFS
KW  - Zwischenmolekulare Kraft
KW  - Dünne Schicht
KW  - NEXAFS
KW  - gas phase
KW  - organic molecule
KW  - intermolecular interaction
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-43630
ER  - 
TY  - THES
A1  - Leufgen, Michael
T1  - Effects of structure, sub-micrometer scaling, and environmental conditions on pi-conjugated organic semiconductors in OFET devices
T1  - Effekte von Struktur, Nanometerskalierung und Umgebungseinflüssen auf pi-konjugierte organische Halbleiter in OFETs
N2  - The thesis investigates the electrical transport properties of different π-conjugated organic semiconductors applied as active semiconducting material in organic field-effect transistor (OFET) devices. Theses organic materials are αω-dihexylquaterthiophene (DH4T), the tetrathiafulvalene (TTF) derivatives dibenzene-tetrathiafulvalene (DB-TTF) and dithiophene-tetrathiafulvalene (DT-TTF), and polytriarylamine (PTAA). The latter material is an amorphous polymer, the three others are small molecule oligomer materials. Different deposition methods were applied and compared. The investigations in the thesis treat the pure characterisation of the above materials with their different properties in OFET devices. Furthermore, the aim was to observe and analyse general rules and effects in OFETs depending on the structure, previous history, and the device scaling. Therefore, different tools and special analysing methods were developed and applied. These are a standard characterisation method for the classification of the used organic semiconductor, temperature dependent electrical characterisation investigating the electrical transport properties, the newly developed in situ measurement method of OFET devices, the downscaling of the OFET devices of channel length below 100 nm, and the lithographical structuring of a PTAA film.
N2  - Die vorliegende Dissertationsarbeit untersucht die elektrischen Transporteigenschaften mehrerer π-konjugierter organischer Halbleiter. Diese werden zu diesem Zweck in organische Feldeffekttransistoren (OFET) als aktive halbleitende Schicht eingebaut. Bei den halbleitenden Verbindungen handelt es sich um αω-Dihexylquaterthiophen (DH4T), die Tetrathiafulvalenverbindungen (TTF) Dibenzen-Tetrathiafulvalen (DB-TTF) und Dithiophen-Tetrathiafulvalen (DT-TTF) und um Polytriarylamin (PTAA). Bei letzterer Verbindung handelt es sich um ein amorphes Polymer, die drei anderen sind oligomere Verbindungen. Unterschiedliche Depositionsmethoden wurden angewandt und miteinander verglichen. Im Zuge der Dissertationsarbeit werden die Eigenschaften der oben genannten organischen Halbleiter untersucht und charakterisiert. Darüber hinaus war das Ziel der Arbeit, allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten und Effekte in OFETs zu erklären. Hierbei wird speziell der Einfluss der Struktur der Halbleiter, ihre Zeit- und Umweltbeständigkeit und die Abhängigkeit von der Bauteilskalierung untersucht. Verschiedene Apparaturen und Analysemethoden wurden zu diesem Zweck genutzt und teilweise dafür entwickelt. Dieses sind eine Methode zur Standardcharakterisierung von Bauteilen und Halbleitern, temperaturabhängige elektrische Charakterisierungen zur Untersuchung des elektrischen Transportverhaltens der organischen Halbleiter, die neu entwickelte in situ Messmethode während der Vakuumdeposition des Halbleiters, die Herunterskalierbarkeit von Bauteilen bis zu Kanallängen unter 100 nm und das lithographische Strukturieren von PTAA Dünnschichten.
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Dünnschichttransistor
KW  - Organischer Feldeffekttransistor
KW  - OFET
KW  - konjugiert
KW  - sub-mikrometer
KW  - TTF
KW  - Skalierung
KW  - Feldeffekttransistor
KW  - IG-FET
KW  - Thiophen
KW  - Thiophenderivate
KW  - Organisches Molekül
KW  - OFET
KW  - sub-micron
KW  - organic semiconductor
KW  - pi-conjugated
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52801
ER  -