TY  - THES
A1  - Dokić, Jadranka
T1  - Quantum mechanical study of molecular switches : electronic structure, kinetics and dynamical aspects
T1  - Quantenmechanische Studie von molekularen Schaltern : Elektronische Struktur, Kinetik und dynamische Aspekte
N2  - Molecular photoswitches are attracting much attention lately mostly because of their possible applications in nano technology, and their role in biology. One of the widely studied representatives of photochromic molecules is azobenzene (AB). With light, by a static electric field, or with tunneling electrons this specie can be "switched" from the flat and energetically more stable trans form, into the compact cis form. The back reaction can be induced optically or thermally. Quantum chemical calculations, mostly based on density functional theory, on the AB molecule, AB derivatives and related systems are presented. All the calculations were done for isolated species, however, with implications for latest experimental results aiming at the switching of surface mounted ABs. In some of these experiments, it is assumed that the switching process is substrate mediated, by attaching an electron or a hole to the adsorbate forming short-lived anion or cation resonances. Therefore, we calculated also cationic and anionic ABs in this work. An influence of external electric fields on the potential energy surfaces, was also studied. Further, by the type, number and positioning of various substituent groups, systematic changes on activation energies and rates for the thermal cis-to-trans isomerization can be enforced. The nature of the transition state for ground state isomerization was investigated. Applying Eyring's transition state theory, trends in activation energies and rates were predicted and are, where a comparison was possible, in good agreement with experimental data. Further, thermal isomerization was studied in solution, for which a polarizable continuum model was employed. The influence of substitution and an environment leaves its traces on structural properties of molecules and quantitative appearance of calculated UV/Vis spectra, as well. Finally, an explicit treatment of a solid substrate was demonstrated for the conformational switching, by scanning tunneling microscope, of a 1,5-cyclooctadiene (COD) molecule at a Si(001) surface, treated by a cluster model. At first, we studied energetics and potential energy surfaces along relevant switching coordinates by quantum chemical calculations, followed by the switching dynamics using wave packet methods. We show that, in spite the simplicity of the model, our calculations support the switching of adsorbed COD, by inelastic electron tunneling at low temperatures.
N2  - Um den technologischen Fortschritt zu gewährleisten, ist man in vielen technischen Gebieten auf der Suche nach neuen und leistungsfähigeren Materialien. In der Computer- und Informationstechnologie folgte daraus die stetige Miniaturisierung von Bauelementen. Molekulare Photoschalter sind häufig an biologischen Prozessen beteiligt und äußerst vielversprechend, auf diesem Gebiet Anwendung zu finden. Ein sehr umfangreich studiertes photochromes Molekül ist Azobenzol (AB). Diese Spezien können durch Licht, statische elektrische Felder oder elektronisches Tunneln von der energetisch stabilen trans Form zur geometrisch kompakten cis Form "geschaltet" werden. Die Rückreaktion kann optisch oder thermisch erfolgen. In dieser Arbeit werden vorwiegend auf der Dichtefunktionaltheorie beruhende quantenchemische Rechnungen von AB, AB-Derivaten und verwandten Systemen vorgestellt. Alle Rechnungen betrachten isolierte Moleküle, werden jedoch in Zusammenhang mit neuesten experimentellen Ergebnissen zu oberflächengebundenen AB-Schaltern gestellt. In einigen dieser Experimente wird angenommen, dass der Schaltprozess substratvermittelt erfolgt, indem dem Adsorbat ein Elektron zugeführt oder entzogen und so eine kurzlebige anionische oder kationische Resonanz erzeugt wird. Daher werden sowohl ionische AB berechnet als auch der Einfluss eines externen elektrischen Feldes auf die Potentialhyperfläche studiert. Weiterhin können Aktivierungsenergie und Reaktionsrate der thermischen cis-trans-Isomerisierung durch Art, Anzahl und Position verschiedener Substituenten variieren. Die Natur des Übergangszustandes wird daher intensiv erforscht. Mit Hilfe der Theorie des Übergangszustandes nach Eyring werden Reaktionsraten prognostiziert, welche gut mit experimentellen Daten übereinstimmen. Daneben wird die thermische Isomerisierung in einem Lösungsmittel unter Verwendung des polarizable continuum model untersucht, da der Einfluss des Substituenten und die Anwesenheit einer Umgebung zu Veränderungen der strukturellen Eigenschaften der Moleküle und dem quantitativen Verlauf der berechneten UV/Vis-Spektren führen. Abschließend wird unter expliziter Einbeziehung eines festen Substrates das elektronisch getriebene konformale Schalten von 1,5-Cyclooctadien (COD) an einer Si(001)-Oberfläche demonstriert. Zunächst wird die Energetik und die Potentialhyperfläche entlang der relevanten Schaltkoordinaten durch quantenchemische Rechnungen ermittelt und das Schaltverhalten durch Wellenpaketmethoden beschrieben. Trotz der Einfachheit wird gezeigt, dass ein derartiges Modell das elektronische Schalten von adsorbiertem COD bei niedrigen Temperaturen gut beschreibt.
KW  - molekulare Schalter
KW  - Azobenzene
KW  - molecular switches
KW  - azobenzene
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41796
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zenichowski, Karl
T1  - Quantum dynamical study of Si(100) surface-mounted, STM-driven switches at the atomic and molecular scale
T1  - Quantendynamische Untersuchung von Si(100) Oberflächen-gebundenen, STM-gesteuerten atomaren und molekularen Schaltern
N2  - The aim of this thesis is the quantum dynamical study of two examples of scanning tunneling microscope (STM)-controllable, Si(100)(2x1) surface-mounted switches of atomic and molecular scale. The first example considers the switching of single H-atoms between two dangling-bond chemisorption sites on a Si-dimer of the Si(100) surface (Grey et al., 1996). The second system examines the conformational switching of single 1,5-cyclooctadiene molecules chemisorbed on the Si(100) surface (Nacci et al., 2008). The temporal dynamics are provided by the propagation of the density matrix in time via an according set of equations of motion (EQM). The latter are based on the open-system density matrix theory in Lindblad form. First order perturbation theory is used to evaluate those transition rates between vibrational levels of the system part. In order to account for interactions with the surface phonons, two different dissipative models are used, namely the bilinear, harmonic and the Ohmic bath model. IET-induced vibrational transitions in the system are due to the dipole- and the resonance-mechanism. A single surface approach is used to study the influence of dipole scattering and resonance scattering in the below-threshold regime. Further, a second electronic surface was included to study the resonance-induced switching in the above-threshold regime. Static properties of the adsorbate, e.g., potentials and dipole function and potentials, are obtained from quantum chemistry and used within the established quantum dynamical models.
N2  - Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit kleinsten schaltbaren Einheiten in Form des Moleküls Cyclooctadien (COD) und dem Wasserstoff-Atom, die chemisch fest mit einer Oberfläche aus kristallinem Silizium verbunden sind. Jeder dieser Schalter kann mittels einer winzigen Spitze, eines so genannten Rastertunnelmikroskops (RTM), von atomarem Durchmesser in zwei unterscheidbare und stabile Schaltpositionen gebracht werden. Dabei besteht das Schalten entweder in einer Änderung der Geometrie des molekularen Schalters oder im Brechen und Neu-knüpfen chemischer Bindungen. Dabei ist es entscheidend, dass durch die geringe Grösse dieser Schalter eine hohe Anzahl dieser Schalter auf einer Oberfläche deponiert werden können. Mit der in den Schaltern speicherbaren Informationen an oder aus, 0 oder 1 ließen sich sehr hohe Speicherkapazitäten erreichen. Vor einer Anwendung dieser Art ist es wichtig zunächst ein grundlegendes Verständnis der Schaltprozesse auf der Oberfläche zu gewinnen. Wenn alle wesentlichen Faktoren berücksichtigt wurden und der Mechanismus des Schaltens verstanden ist, kann das Ergebnis des Experiments mit Hilfe eines theoretischen Modells vorhergesagt werden. Für die Handhabbarkeit muss sich das theoretisches Modell auf wesentliche Einflüsse beschränken und diese so einfach wie möglich beschreiben. So wurde die simultane Bewegung der 12 Atome des COD in die Bewegung eines gemittelten Massenpunktes entlang von einer oder von zwei räumlichen Freiheitsgraden übersetzt. Dabei kann der Massenpunkt im klassischen Bild anschaulich als eine rollende Kugel beschrieben werden, die in einer Seite einer Doppelmulde gefangen ist. Die Kugel kann durch äußere Anregung zum Schwingen gebracht werden und schließlich über eine Barriere in die benachbarte Mulde schalten. Nun muss die Schwingung der Kugel gebremst werden, um ein Zurück-Schwingen der Kugel zu verhindern. Die Anregung erfolgt durch elektrische Ladungen die von der Spitze des RTM zur Oberfläche wandern oder durch eine schwingende, d.h. warme Oberfläche. Das Bremsen wird über die elastische Bindung zu einer kalten Oberfläche vermittelt. Um Quanteneffekte wie das Tunneln der Kugel durch die Barriere zu beschreiben wurde die Kugel durch ein Wellenpaket beschrieben und dessen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Doppelmulde untersucht. Im Fall des Wasserstoffatoms war die experimentelle Prüfung des entworfenen Modells für ein Schalten bei starkem Strom leider nicht möglich. Für das COD Molekül konnte jedoch nicht nur die Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden, sondern im Fall des Schaltens in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur auch die Vorhersagefähigkeit des Modells unter Beweis gestellt werden.
KW  - Kerndynamik
KW  - molekulare Schalter
KW  - Nanotechnologie
KW  - STM
KW  - Oberflächen
KW  - Quantum dynamics
KW  - molecular switches
KW  - nanotechnology
KW  - STM
KW  - surfaces
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62156
ER  -