TY - THES A1 - Ehlert, Christopher T1 - Simulationen von Röntgenabsorptionsprozessen zur Charakterisierung von Systemen in kondensierter Phase T1 - Simulation of X-ray absorption processes to characterize condensed phase systems N2 - Die vorgelegte Dissertation präsentiert wissenschaftliche Ergebnisse, die in der Zeit vom Dezember 2012 bis August 2016, erarbeitet wurden. Der zentrale Inhalt der Arbeit ist die Simulation von Röntgenabsorptionsprozessen von verschiedenen Systemen in kondensierter Phase. Genauer gesagt, werden Nahkantenabsorptions- (NEXAFS) sowie Röntgenphotoelektronenspektren (XPS) berechnet. In beiden Fällen wird ein Röntgenphoton von einem molekularen System absorbiert. Aufgrund der hohen Photonenenergie wird ein stark gebundenes kernnahes Elektron angeregt. Bei der XPS gelangt dieses mit einer zu messenden kinetischen Energie in Kontinuumszustände. In Abhängigkeit der eingestrahlten Photonenenergie und der kinetischen Energie des austreten Elektrons, kann die Bindungsenergie berechnet werden, welche die zentrale Größe der XPS ist. Im Falle der NEXAFS-Spektroskopie wird das kernnahe Elektron in unbesetzte gebundene Zustände angeregt. Die zentrale Größe ist die Absorption als Funktion der eingestrahlten Photonenenergie. Das erste Kapitel meiner Arbeit erörtert detailliert die experimentellen Methoden sowie die daraus gewonnenen charakteristischen Größen. Die experimentellen Spektren zeigen oft viele Resonanzen, deren Interpretation aufgrund fehlender Referenzmaterialien schwierig ist. In solchen Fällen bietet es sich an, die Spektren mittels quantenchemischer Methoden zu simulieren. Der dafür erforderliche mathematisch-physikalische Methodenkatalog wird im zweiten Kapitel der Arbeit erörtert. Das erste von mir untersuchte System ist Graphen. In experimentellen Arbeiten wurde die Oberfläche mittels Bromplasma modifiziert. Die im Anschluss gemessenen NEXAFS-Spektren unterscheiden sich maßgeblich von den Spektren der unbehandelten Oberfläche. Mithilfe periodischer DFT-Rechnungen wurden verschiedene Gitterdefekte sowie bromierte Systeme untersucht und die NEXAFS-Spektren simuliert. Mittels der Simulationen können die Beiträge verschiedener Anregungszentren analysiert werden. Die Berechnungen erlauben den Schluss, dass Gitterdefekte maßgeblich für die entstandenen Veränderungen verantwortlich sind. Polyvinylalkohol (PVA) wurde als zweites System behandelt. Hierbei sollte untersucht werden, wie groß der Einfluss der Molekularbewegung auf die Verbreiterung der Peaks im XP-Spektrum ist. Des Weiteren wurde untersucht, wie groß der Einfluss von intermolekularen Wechselwirkungen auf die Peakpositionen und Peakverbreiterung ist. Für die Berechnung dieses Systems wurde eine Kombination aus molekulardynamischen und quantenchemischen Methoden verwendet. Als Strukturen dienten Oligomermodelle, die unter dem Einfluss eines (ab initio) Potentials propagiert wurden. Entlang der erstellten Trajektorie wurden Schnappschüsse der Geometrien extrahiert und für die Berechnung der XP-Spektren verwendet. Die Spektren werden bereits mithilfe klassischer Molekulardynamik sehr gut reproduziert. Die erhaltenen Peakbreiten sind verglichen mit dem Experiment allerdings zu klein. Die Hauptursache der Peakverbreiterung ist die Molekularbewegung. Intermolekulare Wechselwirkungen verschieben die Peakpositionen um 0.6 eV zu kleineren Anregungsenergien. Im dritten Teil der Arbeit stehen die NEXAFS-Spektren von ionischen Flüssigkeiten (ILs) im Fokus. Die experimentell gefundenen Spektren zeigen eine komplexe Struktur mit vielen Resonanzen. In der Arbeit wurden zwei ILs untersucht. Als Geometrien verwenden wir Clustermodelle, die aus experimentellen Kristallstrukturen extrahiert wurden. Die berechneten Spektren erlauben es, die Resonanzen den Anregungszentren zuzuordnen. Außerdem kann eine erstmals gemessene Doppelresonanz simuliert und erklärt werden. Insgesamt kann die Interpretation der Spektren mithilfe der Simulation signifikant erweitert werden. In allen Systemen wurde zur Berechnung des NEXAFS-Spektrums eine auf Dichtefunktionaltheorie basierende Methode verwendet (die sogenannte Transition-Potential Methode). Gängige wellenfunktionsbasierte Methoden, wie die Konfigurationswechselwirkung mit Einfachanregungen (CIS), zeigen eine starke Blauverschiebung, wenn als Referenz eine Hartree-Fock Slaterdeterminante verwendet wird. Wir zeigen, dass die Verwendung von kernnah-angeregten Determinanten sowohl das resultierende Spektrum als auch die Anregungsenergien deutlich verbessert. Des Weiteren werden auch Referenzen aus Dichtefunktionalrechnungen getestet. Zusätzlich werden auch Referenzen mit gebrochenen Besetzungszahlen für kernnahe Elektronen verwendet. In der Arbeit werden die Resultate der verschiedenen Referenzen miteinander verglichen. Es zeigt sich, dass Referenzen mit gebrochenen Besetzungszahlen das Spektrum nicht weiter verbessern. Der Einfluss der verwendeten Elektronenstrukturmethode ist eher gering. N2 - The dissertation presents scientific results, which were worked out during December 2012 - August 2016. The work focuses on the simulation of X-ray absorption processes of several condensed phase systems. In particular, we calculated near edge X-ray absorption (NEXAFS) as well as X-ray photoelectron spectra (XPS). In both cases an incoming X-ray photon is absorbed by a molecular system. Due to the relatively high photon energy, a tightly bound core electron is excited. For XPS, this electron is promoted to high lying continuum states. The binding energy of the core electron, which is the key feature of XPS, can be calculated as the difference between the energy of the incoming photon and the measured kinetic energy of the electron. For NEXAFS spectra, the absorption probability of a photon as a function of the wavelength of the incoming radiation is measured. Both experimental methods are presented in chapter one of my thesis. Often the experimental spectra contain a lot of resonances, which make the interpretation and analysis complicated. In such cases, quantum chemical calculations can help to understand the spectra. In chapter two the central theoretical methods are presented, which are necessary to simulate the X-ray absorption processes. The first investigated system is graphene, which was treated with bromine plasma in order to modify the chemical and physical properties by adding bromine. The measured NEXAFS spectra of modified graphene show significant differences with respect to the spectra of the untreated surface. With the help of periodic density functional theory (DFT) calculations and simulations of spectra, it is demonstrated that physical defects are primarily responsible for the observed changes in the spectra. Polyvinyl alcohol (PVA) is the second investigated system. We were interested in the influence of the molecular motion on the broadening of the XPS peaks. Further, we looked at the intermolecular interactions and their influence on the peak positions and broadenings. In order to accomplish this, a combination of molecular dynamics and quantum chemical methods have been used. Appropriate structures based on oligomer models were created and propagated under the influence of an (ab initio) potential. Snapshots were taken during the propagation to calculate the core electron binding energies. In the third part of my work, Ionic Liquids have been investigated. The experiment found a very complex and complicated absorption behavior with a lot of resonances. We used cluster models, based on experimental crystallographic data, to simulate the spectra with density functional methods. Our calculations allow a comprehensive and in-depth analysis of the experimental spectra. The interpretation could be significantly extended. In all presented systems, the so-called transition potential (TP)-DFT method based on density functional theory has been used. Common wave function based methods like configuration interaction singles (CIS) are inappropriate to calculate X-ray absorption spectra, when a Hartree-Fock reference is used. We demonstrate that, by using core-hole excited determinants as reference wave function for CIS calculations, the quality of the obtained spectra can be significantly improved. We further investigate the influence of different density functionals as well as fractional occupations to the shape and position of the resulting spectra. KW - quantum chemical calculations KW - XPS KW - NEXAFS KW - DFT KW - condensed phase systems KW - quantenchemische Berechnungen KW - XPS KW - NEXAFS KW - DFT KW - kondensierte Phase Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104844 ER - TY - GEN A1 - Lever, Fabiano A1 - Mayer, Dennis A1 - Metje, Jan A1 - Alisauskas, Skirmantas A1 - Calegari, Francesca A1 - Düsterer, Stefan A1 - Feifel, Raimund A1 - Niebuhr, Mario A1 - Manschwetus, Bastian A1 - Kuhlmann, Marion A1 - Mazza, Tommaso A1 - Robinson, Matthew Scott A1 - Squibb, Richard J. A1 - Trabattoni, Andrea A1 - Wallner, Måns A1 - Wolf, Thomas J. A. A1 - Gühr, Markus T1 - Core-level spectroscopy of 2-thiouracil at the sulfur L1 and L2,3 edges utilizing a SASE free-electron-laser T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In this paper, we report X-ray absorption and core-level electron spectra of the nucleobase derivative 2-thiouracil at the sulfur L1- and L2,3-edges. We used soft X-rays from the free-electron laser FLASH2 for the excitation of isolated molecules and dispersed the outgoing electrons with a magnetic bottle spectrometer. We identified photoelectrons from the 2p core orbital, accompanied by an electron correlation satellite, as well as resonant and non-resonant Coster–Kronig and Auger–Meitner emission at the L1- and L2,3-edges, respectively. We used the electron yield to construct X-ray absorption spectra at the two edges. The experimental data obtained are put in the context of the literature currently available on sulfur core-level and 2-thiouracil spectroscopy. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1180 KW - X-ray KW - photoelectron KW - sulfur KW - thiouracil KW - nucleobases KW - Coster–Kronig KW - Auger–Meitner KW - NEXAFS KW - FLASH Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524091 SN - 1866-8372 IS - 21 ER - TY - JOUR A1 - Lever, Fabiano A1 - Mayer, Dennis A1 - Metje, Jan A1 - Alisauskas, Skirmantas A1 - Calegari, Francesca A1 - Düsterer, Stefan A1 - Feifel, Raimund A1 - Niebuhr, Mario A1 - Manschwetus, Bastian A1 - Kuhlmann, Marion A1 - Mazza, Tommaso A1 - Robinson, Matthew Scott A1 - Squibb, Richard J. A1 - Trabattoni, Andrea A1 - Wallner, Måns A1 - Wolf, Thomas J. A. A1 - Gühr, Markus T1 - Core-level spectroscopy of 2-thiouracil at the sulfur L1 and L2,3 edges utilizing a SASE free-electron-laser JF - Molecules N2 - In this paper, we report X-ray absorption and core-level electron spectra of the nucleobase derivative 2-thiouracil at the sulfur L1- and L2,3-edges. We used soft X-rays from the free-electron laser FLASH2 for the excitation of isolated molecules and dispersed the outgoing electrons with a magnetic bottle spectrometer. We identified photoelectrons from the 2p core orbital, accompanied by an electron correlation satellite, as well as resonant and non-resonant Coster–Kronig and Auger–Meitner emission at the L1- and L2,3-edges, respectively. We used the electron yield to construct X-ray absorption spectra at the two edges. The experimental data obtained are put in the context of the literature currently available on sulfur core-level and 2-thiouracil spectroscopy. KW - X-ray KW - photoelectron KW - sulfur KW - thiouracil KW - nucleobases KW - Coster–Kronig KW - Auger–Meitner KW - NEXAFS KW - FLASH Y1 - 2021 SN - 1420-3049 VL - 26 IS - 21 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Büchner, Robby T1 - Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules T1 - Erkenntnisse über lokale Variationen der elektronischen Struktur in biologisch inspirierten aromatischen Molekülen N2 - In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation. The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals. The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump – NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds. With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes. N2 - In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten von Ladungslokalisierung und -wanderung in zwei Klassen von aromatischen Molekülen untersucht: Pyridone und Porphyrine. Der Schwerpunkt liegt auf den Auswirkungen von Isomerie, Komplexierung, Lösung (in Wasser) und optischer Anregung, die mit verschiedenen entscheidenden biologischen Anwendungen spezifischer Mitglieder dieser Gruppen von Verbindungen einhergehen. Mehrere Porphyrine spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Die Nukleobasen, die die genetische Information in der DNA und RNA speichern, sind Pyridonderivate. Auch mehrere Vitamine basieren auf diesen beiden Stoffgruppen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu beantworten, wie die elektronische Struktur dieser Molekülklassen modifiziert wird, sodass die vielfältigen Funktionen in der Natur ermöglicht werden. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse über die Wirkung konstitutioneller und externer Einflussfaktoren ermöglichen die Entwicklung neuer Verfahren in der Medizin, Katalyse, Solar- und Umwelttechnik. Die Gemeinsamkeit von Pyridonen und Porphyrinen ist ihr aromatischer Charakter. Da Aromatizität von Beginn der chemischen Physik an thematisiert wurde, spiegelt der Überblick relevanter theoretischer Modelle in dieser Arbeit auch die Entwicklung dieses Wissenschaftsgebiets im 20. Jahrhundert wieder. Die spektroskopische Untersuchung dieser Verbindungen konzentrierte sich lange Zeit auf die globalen, optischen Übergänge zwischen den Grenzorbitalen. Die Anwendung und Weiterentwicklung röntgenspektroskopischer Methoden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Struktur von molekularen Proben bilden den Kern dieser Arbeit. Die Elementselektivität der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wird genutzt, um die unbesetzte Zustandsdichte an den Stickstoffatomen zu untersuchen, welche für die chemische Reaktivität von Pyridonen und Porphyrinen verantwortlich sind. Die Ergebnisse tragen zum wachsenden Bestand von NEXAFS-Spektren und ihrer Interpretation bei, z.B. indem sie die Debatte über die N K-Kante von Porphyrinen durch systematische experimentelle und theoretische Argumente voranbringen. Zudem wird ein modernes Laser-Pump – NEXAFS-Probe System verwendet, um den Relaxationsprozess eines photoangeregten Porphyrins auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) liefert komplementäre Ergebnisse, indem sie die höchsten besetzten Valenzniveaus einschließlich Symmetrieinformationen zugänglich macht. Es wird gezeigt, dass RIXS eine effektive experimentelle Methode ist, um detaillierte Informationen über die Ladungsdichten einzelner Tautomere in einem Gemisch zu erhalten. Zudem werden es die hochauflösenden RIXS-Spektrometer hRIXS und METRIXS, die im Rahmen dieser Arbeit mit in Betrieb genommen wurden, erlauben, Informationen zur ultraschnellen und thermischen Chemie von Pyridonen, Porphyrinen und vielen anderen Verbindungen zu gewinnen. Im Hinblick auf beide Klassen biologisch inspirierter, aromatischer Moleküle wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Pyridone und Porphyrine zwar durch ihre optischen Absorptionsbanden und ihre Fähigkeit zu Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden, aber alle Verbindungen eine globale Stabilisierung lokaler Konstitutionsänderungen und relevanter äußerer Einflüsse aufweisen. Aufgrund dieser weitreichenden Anpassung können Pyridone und Porphyrine in einer Vielzahl von biologischen und technischen Prozessen eingesetzt werden. KW - NEXAFS KW - RIXS KW - X-ray spectroscopy KW - Aromaticity KW - Porphyrins KW - Pyridones KW - Röntgenspektroskopie KW - Aromatizität KW - Porphyrine KW - Pyridone KW - NEXAFS KW - RIXS Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192 ER -