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  - Noller, Bastian
T1  - Excited-State Dynamics of Organic Intermediates
T1  - Dynamik Angeregter Zustände von Organischen Intermediaten
N2  - This thesis gives insights into the real-time dynamics of several free carbenes and radicals on a femtosecond and nanosecond time scale. The experiments were performed with radicals, singlet carbenes and triplet carbenes of various sizes. Several neutral excited states as well as the ionic ground state were characterized. Despite the relevance of such reactive intermediates in almost all chemical reactions, only relatively little experimental information on such systems is found in the literature. This is linked to the experimental challenge of producing such species under isolated conditions. The intermediates are formed from precursor molecules under interaction- free conditions by supersonic jet flash pyrolysis. The precursor molecules were synthetically designed to show clean thermal dissociation into one specific intermediate. A large variety of spectroscopic techniques was applied to study the intermediates. Each method augments the results of the other methods. This enabled to successfully approach the main goal of this thesis: to understand the excited-state dynamics of organic intermediates. The excited states were found to deactivate rapidly to the hot ground state. The observed fast decay is presumably linked to coupled electronically excited states and relaxation takes place by internal conversion or conical intersections. Further reactions then take place on the ground state surface. Absorption spectra, photodissociation dynamics, photoelectron spectra, ionization potentials, excited-state lifetimes and dissociative photoionization were elucidated by the measurements. Pulsed and continuous light sources were used over a large spectral range (UV, Vis, VUV). A well-defined amount of energy was deposited into the molecule. After internal conversion has taken place, a microcanonical ensemble of reactive intermediates can be studied. This data helps to understand the energetics and reaction channels of intermediates. Velocity map imaging enabled to monitor the pyrolysis efficiency in real time by analyzing photoion images. This observation facilitates clean intermediate generation. Experimental results were compared to quantum chemical calculations to aid the interpretation as well as to test the performance of theoretical approaches. Hydrocarbon radicals and carbenes are regarded as benchmark systems for computational methods due to their several low-lying electronic states and open-shell electronic configuration. The experimental data can help to identify and understand the contributions of the examined intermediates to the chemistry of high energy environments (e. g., hydrocarbon cracking reactors, interstellar space and combustion chambers). Here increased numbers of hydrocarbon intermediates are often present and usually have a strong impact on the overall reaction mechanism. Such environments contain in general a complex mixture of several different intermediates. The more spectroscopic and dynamic properties of each isolated intermediate are known, the easier it is to identify it among multiple components and to understand how it contributes to the overall reaction mechanism. Electronic excitation can take place by radiation, particle collisions or thermally at very high temperatures. How excited states influence the reaction mechanisms is still a matter of currant research.
N2  - Diese Arbeit gibt Einblicke in die Dynamik angeregter Zustände von mehreren isolierten Carbenen und Radikalen. Experimente wurden an verschieden großen Radikalen, singlet Carbenen und triplet Carbenen durchgeführt. Angeregte elektronische Zustände, Grundzustände von Radikal-Kationen und die Photodissoziations-Dynamik des Grundzustandes wurden charakterisiert. Obwohl beinahe alle chemischen Reaktionen über reaktive Intermediate ablaufen, ihnen Schlüsselrollen bei Verbrennungsprozessen zugesprochen werden und sie in hohen Konzentrationen in interstellaren Medien vorkommen, sind viele dieser Spezies unzureichend charakterisiert. Dies liegt hauptsächlich am hohen experimentellen Aufwand, der zur sauberen Herstellung und Untersuchung von Intermediaten nötig ist. Die Intermediate in dieser Arbeit wurden mittels Supersonic-Jet- Flash-Pyrolysis generiert. Mit dieser Technik konnten die hoch reaktiven Moleküle konserviert und unter isolierten Bedingungen spektroskopisch untersucht werden. Hierfür wurden spezielle Vorläufermoleküle synthetisch hergestellt und auf ihre saubere thermische Zersetzung hin getestet und optimiert. Die Intermediate wurden mit einer Reihe von spektroskopischen Methoden untersucht, die sich auf eine hervorragende Art und Weise ergänzten. Das Hauptziel der Dissertation konnte somit erfolgreich abgeschlossen werden und das Verhalten angeregten Zustände einiger wichtiger Intermediate verstanden werden. Die Zustände relaxieren auf einer Femtosekunden-Zeitskala zum heißen Grundzustand. Die schnelle Deaktivierung ist allerWahrscheinlichkeit nach auf eine Kopplung der elektronisch angeregten Zustände zurückzuführen. Die Relaxation erfolgt über interne Konversion und konische Durchschneidungen. Photochemische Reaktionen laufen anschließend vom heißen Grundzustand aus ab. Zusätzlich konnten viele Charakteristika der Intermediate untersucht werden: Absorptionsspektren, Photochemie, Photoelektronenspektren, Ionisierungsenergien und dissoziative Photoionisation. Für die Untersuchungen wurde, über einen breiten spektralen Bereich (UV,Vis,VUV), hauptsächlich frequenz- und zeitaufgelöste Laser-Spektroskopie eingesetzt. Nachdem die Moleküle zum Grundzustand relaxiert waren, konnte die Dynamik eines mikrokanonischen Ensembles von reaktiven Intermediaten untersucht werden. Diese Untersuchungen helfen die Energetik und Reaktionskanäle der Intermediate zu verstehen. Zusätzlich wurden Messungen mit Synchrotron- Strahlung und TPEPICO-Spektroskopie durchgeführt; vorwiegend um die IPs der Spezies zu bestimmen wurde diese Technik angewandt. Velocity-Map-Imaging wurde zusammen mit der Radikalquelle erprobt. Ergänzend zu zeitaufgelösten Photoelektronenspektren konnten mit dieser Methode neue Wege zur Optimierung der Radikalerzeugung aufgezeigt werden. Die Effizienz der Pyrolyse konnte anhand der Photoionen-Images in Echtzeit verfolgt werden. Dies vereinfacht die Darstellung reaktiver Intermediate. Die experimentellen Daten wurden mit quantenchemischen Rechnungen verglichen, um die Interpretation zu erleichtern. Des Weiteren weisen Intermediate häufig eine komplexe elektronische Struktur auf und können somit zum evaluieren quantenmechanischer Methoden verwendet werden. Die erarbeiteten experimentellen Daten können helfen die spektroskopisch untersuchten Intermediate in komplexen Reaktionsgemischen zu erkennen und ihre dynamische Rolle darin besser zu verstehen. Je mehr Information über einzelne isolierte Intermediate bekannt ist, desto einfacher können ihre Beiträge differenziert aufgeschlüsselt werden. Eine erhöhte Anzahl von Intermediaten wird vor allem an Orten mit hoher Energiedichte beobachtet (z.B. im interstellaren Raum und in Motoren). Elektronisch angeregte Zustände der Moleküle können hier durch Teilchenstöße, Strahlung oder sogar thermisch bei sehr hohen Temperaturen angeregt werden. Wie elektronisch angeregte Zustände Reaktionsmechanismen beeinflussen können, ist noch Stand aktueller Forschung.
KW  - Excited-State Dynamics of Organic Intermediates
KW  - Intermediate
KW  - Gas-Phase
KW  - Femtosekunden
KW  - Spektroskopie
KW  - electronisch
KW  - intermediate
KW  - gas phase
KW  - femtosecond
KW  - laser
KW  - spectroscopy
KW  - electronic
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36075
N1  - Cotutelle: Institut für Physikalische Chemie/Universität Würzburg and Laboratoire Francis Perrin/CEA Saclay
ER  -