@phdthesis{Rietze2020,
  author    = {Rietze, Clemens},
  title     = {Optimierung und Analyse von molekularen Schaltern in komplexen Umgebungen: thermische Stabilit{\"a}t, Auslesbarkeit und Schaltbarkeit},
  doi       = {10.25932/publishup-45959},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459594},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {131},
  year      = {2020},
  abstract  = {Seit Jahrzehnten stellen die molekularen Schalter ein wachsendes Forschungsgebiet dar. Im Rahmen dieser Dissertation stand die Verbesserung der thermischen Stabilit{\"a}t, der Auslesbarkeit und Schaltbarkeit dieser molekularen Schalter in komplexen Umgebungen mithilfe computergest{\"u}tzter Chemie im Vordergrund. Im ersten Projekt wurde die Kinetik der thermischen E → Z-Isomerisierung und die damit verbundene thermische Stabilit{\"a}t eines Azobenzol-Derivats untersucht. Daf{\"u}r wurde Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Verbindung mit der Eyring-Theorie des {\"U}bergangszustandes (TST) angewendet. Das Azobenzol-Derivat diente als vereinfachtes Modell f{\"u}r das Schalten in einer komplexen Umgebung (hier in metallorganischen Ger{\"u}sten). Es wurden thermodynamische und kinetische Gr{\"o}ßen unter verschiedenen Einfl{\"u}ssen berechnet, wobei gute {\"U}bereinstimmungen mit dem Experiment gefunden wurden. Die hier verwendete Methode stellte einen geeigneten Ansatz dar, um diese Gr{\"o}ßen mit angemessener Genauigkeit vorherzusagen. Im zweiten Projekt wurde die Auslesbarkeit der Schaltzust{\"a}nde in Form des nichtlinearen optischen (NLO) Kontrastes f{\"u}r die Molek{\"u}lklasse der Fulgimide untersucht. Die daf{\"u}r ben{\"o}tigten dynamischen Hyperpolarisierbarkeiten unter Ber{\"u}cksichtigung der Elektronenkorrelation wurden mittels einer etablierten Skalierungsmethode berechnet. Es wurden verschiedene Fulgimide analysiert, wobei viele experimentelle Befunde best{\"a}tigt werden konnten. Dar{\"u}ber hinaus legte die theoretische Vorhersage f{\"u}r ein weiteres System nahe, dass insbesondere die Erweiterung des π-Elektronensystems ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung von NLO-Kontrasten darstellt. Die Fulgimide verf{\"u}gen somit {\"u}ber n{\"u}tzliche Eigenschaften, sodass diese in Zukunft als Bauelemente in photonischen und optoelektronischen Bereichen Anwendungen finden k{\"o}nnten. Im dritten Projekt wurde die E → Z-Isomerisierung auf ein quantenmechanisch (QM) behandeltes Dimer mit molekularmechanischer (MM) Umgebung und zwei Fluorazobenzol-Monomeren durch Molek{\"u}ldynamik simuliert. Dadurch wurde die Schaltbarkeit in komplexer Umgebung (hier selbstorgansierte Einzelschichten = SAMs) bzw. von Azobenzolderivaten analysiert. Mit dem QM/MM Modell wurden sowohl Van-der-Waals-Interaktionen mit der Umgebung als auch elektronische Kopplung (nur zwischen QM-Molek{\"u}len) ber{\"u}cksichtigt. Dabei wurden systematische Untersuchungen zur Packungsdichte durchgef{\"u}hrt. Es zeigte sich, dass bereits bei einem Molek{\"u}labstand von 4.5 {\AA} die Quantenausbeute (prozentuale Anzahl erfolgreicher Schaltprozesse) des Monomers erreicht wird. Die gr{\"o}ßten Quantenausbeuten wurden f{\"u}r die beiden untersuchten Fluorazobenzole erzielt. Es wurden die Effekte des Molek{\"u}labstandes und der Einfluss von Fluorsubstituenten auf die Dynamik eingehend untersucht, sodass der Weg f{\"u}r darauf aufbauende Studien geebnet ist.},
  language  = {de}
}
@article{RietzeTitovGranuccietal.2020,
  author    = {Rietze, Clemens and Titov, Evgenii and Granucci, Giovanni and Saalfrank, Peter},
  title     = {Surface hopping dynamics for azobenzene photoisomerization},
  series = {The journal of physical chemistry : C, Nanomaterials and interfaces},
  volume    = {124},
  journal   = {The journal of physical chemistry : C, Nanomaterials and interfaces},
  number    = {48},
  publisher = {American Chemical Society},
  address   = {Washington},
  issn      = {1932-7447},
  doi       = {10.1021/acs.jpcc.0c08052},
  pages     = {26287 -- 26295},
  year      = {2020},
  abstract  = {Azobenzenes easily photoswitch in solution, while their photoisomerization at surfaces is often hindered. In recent work, it was demonstrated by nonadiabatic molecular dynamics with trajectory surface hopping [Titov et al., J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 3591-3596] that the experimentally observed suppression of trans -> cis isomerization yields in azobenzenes in a densely packed SAM (self-assembled monolayer) [Gahl et al., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1831-1838] is dominated by steric hindrance. In the present work, we systematically study by ground-state Langevin and nonadiabatic surface hopping dynamics, the effects of decreasing packing density on (i) UV/vis absorption spectra, (ii) trans -> cis isomerization yields, and (iii) excited-state lifetimes of photoexcited azobenzene. Within the quantum mechanics/ molecular mechanics models adopted here, we find that above a packing density of similar to 3 molecules/nm(2), switching yields are strongly reduced, while at smaller packing densities, the "monomer limit" is quickly approached. The UV/vis absorption spectra, on the other hand, depend on packing density over a larger range (down to at least similar to 1 molecule/nm(2)). Trends for excited-state lifetimes are less obvious, but it is found that lifetimes of pi pi* excited states decay monotonically with decreasing coverage. Effects of fluorination of the switches are also discussed for single, free molecules. Fluorination leads to comparatively large trans -> cis yields, in combination with long pi pi* lifetimes. Furthermore, for selected systems, also the effects of n pi* excitation at longer excitation wavelengths have been studied, which is found to enhance trans -> cis yields for free molecules but can lead to an opposite behavior in densely packed SAMs.},
  language  = {en}
}