TY - THES A1 - Rietze, Clemens T1 - Optimierung und Analyse von molekularen Schaltern in komplexen Umgebungen: thermische Stabilität, Auslesbarkeit und Schaltbarkeit T1 - Optimization and analysis of molecular switches in complex environments: thermal stability, selectability and switchability N2 - Seit Jahrzehnten stellen die molekularen Schalter ein wachsendes Forschungsgebiet dar. Im Rahmen dieser Dissertation stand die Verbesserung der thermischen Stabilität, der Auslesbarkeit und Schaltbarkeit dieser molekularen Schalter in komplexen Umgebungen mithilfe computergestützter Chemie im Vordergrund. Im ersten Projekt wurde die Kinetik der thermischen E → Z-Isomerisierung und die damit verbundene thermische Stabilität eines Azobenzol-Derivats untersucht. Dafür wurde Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Verbindung mit der Eyring-Theorie des Übergangszustandes (TST) angewendet. Das Azobenzol-Derivat diente als vereinfachtes Modell für das Schalten in einer komplexen Umgebung (hier in metallorganischen Gerüsten). Es wurden thermodynamische und kinetische Größen unter verschiedenen Einflüssen berechnet, wobei gute Übereinstimmungen mit dem Experiment gefunden wurden. Die hier verwendete Methode stellte einen geeigneten Ansatz dar, um diese Größen mit angemessener Genauigkeit vorherzusagen. Im zweiten Projekt wurde die Auslesbarkeit der Schaltzustände in Form des nichtlinearen optischen (NLO) Kontrastes für die Molekülklasse der Fulgimide untersucht. Die dafür benötigten dynamischen Hyperpolarisierbarkeiten unter Berücksichtigung der Elektronenkorrelation wurden mittels einer etablierten Skalierungsmethode berechnet. Es wurden verschiedene Fulgimide analysiert, wobei viele experimentelle Befunde bestätigt werden konnten. Darüber hinaus legte die theoretische Vorhersage für ein weiteres System nahe, dass insbesondere die Erweiterung des π-Elektronensystems ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung von NLO-Kontrasten darstellt. Die Fulgimide verfügen somit über nützliche Eigenschaften, sodass diese in Zukunft als Bauelemente in photonischen und optoelektronischen Bereichen Anwendungen finden könnten. Im dritten Projekt wurde die E → Z-Isomerisierung auf ein quantenmechanisch (QM) behandeltes Dimer mit molekularmechanischer (MM) Umgebung und zwei Fluorazobenzol-Monomeren durch Moleküldynamik 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-Molekülen) berücksichtigt. Dabei wurden systematische Untersuchungen zur Packungsdichte durchgeführt. Es zeigte sich, dass bereits bei einem Molekülabstand von 4.5 Å die Quantenausbeute (prozentuale Anzahl erfolgreicher Schaltprozesse) des Monomers erreicht wird. Die größten Quantenausbeuten wurden für die beiden untersuchten Fluorazobenzole erzielt. Es wurden die Effekte des Molekülabstandes und der Einfluss von Fluorsubstituenten auf die Dynamik eingehend untersucht, sodass der Weg für darauf aufbauende Studien geebnet ist. N2 - For decades, molecular switches have represented a growing field of research. In this dissertation, the focus was on improving the thermal stability, selectability and switchability of these molecular switches in complex environments using computer-aided chemistry. In the first project, the kinetics of thermal E → Z isomerization and the associated thermal stability of an azobenzene derivative were investigated. For this purpose, density functional theory (DFT) in combination with the Eyring theory of transition state (TST) was applied. The azobenzene derivative served as a simplified model for switching in a complex environment (here in metalorganic frameworks). Thermodynamic and kinetic quantities under different influences were calculated, and good agreement with the experiment was found. The method used here represented a suitable approach to predict these quantities with reasonable accuracy. In the second project, the selectability of the switching states in the form of nonlinear optical (NLO) contrast for the molecular class of fulgimides was investigated. The dynamic hyperpolarizabilities required for this, taking into account electron correlation, were calculated using an established scaling method. Different fulgimides were analyzed and many experimental findings were confirmed. Furthermore, the theoretical prediction for another system suggested that especially the extension of the π-electron system is a promising approach to improve NLO contrasts. The fulgimides thus possess useful properties, so that they could find future applications as devices in photonic and optoelectronic fields. In the third project, the E → Z-isomerization on a quantum mechanical (QM) treated dimer with molecular mechanical (MM) environment and two fluorazobenzene monomers was simulated by molecular dynamics. Thereby the switchability in complex environment (here self-assembled monolayers = SAMs) respectively of azobenzene derivatives was analyzed. With the QM/MM model both Van-der-Waals-interactions with the environment and electronic coupling (only between QM molecules) were considered. Systematic investigations on packing density were performed. It was shown that already at a molecule distance of 4.5 Å the quantum yield (percentage number of successful switching processes) of the monomer is reached. The highest quantum yields were achieved for the two fluorazobenzenes investigated. The effects of molecule distance and the influence of fluorine substituents on the dynamics were investigated in detail, so that the path for studies is leveled. KW - elektronische Schalter KW - electrical switches KW - Azobenzol KW - Azobenzene KW - Fulgimide KW - self-assembled monolayer KW - selbstorganisierte Einzelschichten KW - metalorganic frameworks KW - theoretische Chemie KW - Eyring KW - Arrhenius KW - transition state KW - Übergangszustand KW - nichtadibatische Dynamik KW - non-adiabatic dynamic KW - Tully-Algorithmus KW - nichtadiabatische Kopplung KW - non-adiabatic coupling KW - freie Aktivierungsenthalpie KW - nicht-lineare Optik KW - non-linear optics KW - Hyperpolarisierbarkeit KW - hyperpolarizability KW - Moleküle in äußeren Feldern KW - Skalierungsmethode von Champagne KW - Sprungwahrscheinlichkeit KW - trajectory surface hopping KW - Anregungsspektren KW - Populationsanalyse KW - Quantenausbeute KW - quantum yield KW - E-Z Isomerisierung KW - trans-cis Isomerisierung KW - cis-trans Isomerisierung KW - Z-E Isomerisierung KW - Dichtefunktionaltheorie KW - DFT KW - Hartree Fock KW - SAM KW - MP2 KW - QM/MM KW - Pachkungsdichte KW - molekularer Abstand KW - D3 KW - Dispersionskorrektur KW - Kohn Sham KW - B3LYP KW - TDDFT KW - Berny-Algorithmus KW - Normalmodenanalyse KW - nichtlineare Optik KW - second harmonic generation KW - Frequenzverdopplung KW - SHG KW - SFG KW - statische Hyperpolarisierbarkeit KW - dynamische Hyperpolarisierbarkeit KW - static hyperpolarizability KW - dynamic hyperpolarizability KW - Tensor KW - Trajektorien KW - trajectory KW - AM1 KW - AM1/FOMO-CI KW - AM1/FOMO KW - Geometrieoptimierung KW - Elektronenstrukturrechnung KW - GAUSSIAN Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459594 ER - TY - THES A1 - Titov, Evgenii T1 - Quantum chemistry and surface hopping dynamics of azobenzenes T1 - Quantenchemie und Surface Hopping Dynamik von Azobenzolen BT - free and constrained models BT - freie und eingeschränkte Modelle N2 - This cumulative doctoral dissertation, based on three publications, is devoted to the investigation of several aspects of azobenzene molecular switches, with the aid of computational chemistry. In the first paper, the isomerization rates of a thermal cis → trans isomerization of azobenzenes for species formed upon an integer electron transfer, i.e., with added or removed electron, are calculated from Eyring’s transition state theory and activation energy barriers, computed by means of density functional theory. The obtained results are discussed in connection with an experimental study of the thermal cis → trans isomerization of azobenzene derivatives in the presence of gold nanoparticles, which is demonstrated to be greatly accelerated in comparison to the same isomerization reaction in the absence of nanoparticles. The second paper is concerned with electronically excited states of (i) dimers, composed of two photoswitchable units placed closely side-by-side, as well as (ii) monomers and dimers adsorbed on a silicon cluster. A variety of quantum chemistry methods, capable of calculating molecular electronic absorption spectra, based on density functional and wave function theories, is employed to quantify changes in optical absorption upon dimerization and covalent grafting to a surface. Specifically, the exciton (Davydov) splitting between states of interest is determined from first-principles calculations with the help of natural transition orbital analysis, allowing for insight into the nature of excited states. In the third paper, nonadiabatic molecular dynamics with trajectory surface hopping is applied to model the photoisomerization of azobenzene dimers, (i) for the isolated case (exhibiting the exciton coupling between two molecules) as well as (ii) for the constrained case (providing the van der Waals interaction with environment in addition to the exciton coupling between two monomers). For the latter, the additional azobenzene molecules, surrounding the dimer, are introduced, mimicking a densely packed self-assembled monolayer. From obtained results it is concluded that the isolated dimer is capable of isomerization likewise the monomer, whereas the steric hindrance considerably suppresses trans → cis photoisomerization. Furthermore, the present dissertation comprises the general introduction describing the main features of the azobenzene photoswitch and objectives of this work, theoretical basis of the employed methods, and discussion of gained findings in the light of existing literature. Also, additional results on (i) activation parameters of the thermal cis → trans isomerization of azobenzenes, (ii) an approximate scheme to account for anharmonicity of molecular vibrations in calculation of the activation entropy, as well as (iii) absorption spectra of photoswitch–silicon composites obtained from time-demanding wave function-based methods are presented. N2 - Die vorliegende kumulative Dissertationsschrift basiert auf drei wissenschaftlichen Publikationen und beschäftigt sich mit der computerchemischen Erforschung von molekularen Azobenzol-Schaltern. Die erste Publikation behandelt die thermische cis → trans Isomerisierung von Azobenzol durch einen Elektronentransfer (ein Elektron wird hinzugefügt oder entnommen). Dabei ist die Berechnung der Isomerisierungsrate des Elektronenübergangs nach der Eyringschen Theorie des Übergangszustands unter Einsatz von Aktivierungsenenergien durchgeführt worden. Die Letzteren sind mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet worden. Die daraus erhaltenen Ergebnisse sind in Zusammenhang mit experimentellen Untersuchungen der thermische cis → trans Isomerisierung von Azobenzol-Derivaten in Lösung mit und ohne Goldnanopartikeln diskutiert worden. Die thermische Isomerisierung in Anwesenheit der Goldnanopartikeln läuft stark beschleunigt ab. Die zweite Publikation beschäftigt sich mit elektronisch angeregten Zuständen von (i) Dimeren bestehend aus zwei schaltbaren Einheiten, die dicht nebeneinander platziert sind, sowie (ii) Monomeren und Dimeren, die an einen Siliziumcluster adsorbiert sind. Mehrere quantenchemische Methoden basierend auf Dichtefunktionaltheorie und Wellenfunktionstheorie sind zur Berechnung der molekularen elektronischen Absorptionsspektren verwendet worden. Dadurch sind die Änderungen in der optischen Absorption sowohl bei der Dimerisierung, als auch beim kovalenten Anbinden an die Oberfläche bestimmt worden. Dazu ist die exzitonische Aufspaltung (Davydov splitting) zwischen den angeregten Zuständen aus ersten Prinzipien unter Verwendung von speziellen Orbitalen für Übergangszustände (natural transition orbitals) berechnet worden. Dadurch wird ein Einblick in die Natur der angeregten Zuständen erreicht. In der dritten Publikation ist eine nicht-adiabatische Molekulardynamik-Simulation unter Anwendung von trajectory surface hopping durchgeführt worden, um die Photoisomerisirung von Azobenzol-Dimeren zu modellieren. Dabei sind (i) ein isoliertes sowie (ii) ein Dimer in der Monolage betrachtet worden. Es sind die exzitonische Kopplung zwischen den zwei Molekülen, sowie, im Falle der Monolage, auch Van-der-Waals-Wechselwirkungen berücksicht worden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein isoliertes Dimer gleichermaßen isomerisierungsfähig wie ein Monomer ist, wobei die cis → trans Photoisomerisierung durch die sterische Hinderung erheblich unterdrückt wird. Außerdem beinhaltet die darliegende Dissertationsschrift eine allgemeine Einführung, theoretische Grundlagen der verwendeten Methoden und die Diskussion der erhaltenen Ergebnisse mit Blick auf die vorhandene Literatur. Ferner sind zusätzliche Ergebnisse bezüglich der folgenden Aspekte dargestellt: (i) Aktivierungsparameter der thermischen cis → trans Isomerisierung von Azobenzol; (ii) ein Näherungsverfahren zur Berücksichtigung der Anharmonizität von Molekülschwingungen bei Berechnung der Aktivierungsentropie; (iii) Absorptionspektren von Photoschalter-Silizium-Kompositen berechnet mithilfe von zeitaufwändigen Wellenfunktions-basierten Methoden. KW - quantum chemistry KW - surface hopping dynamics KW - azobenzene KW - Quantenchemie KW - Surface Hopping Dynamik KW - Azobenzol Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-394610 ER -