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Remote sensing analysis is a crucial tool for monitoring the extent of mine waste surfaces and their mineralogy in countries with a long mining history, such as South Africa, where gold and platinum have been produced for over 90 years. These mine waste sites have the potential to contain problematic trace element species (e. g., U, Pb, Cr). In our research, we aim to combine the mapping and monitoring capacities of multispectral and hyperspectral spaceborne sensors. This is done to assess the potential of existing multispectral and hyperspectral spaceborne sensors (OLI and Hyperion) and future missions, such as Sentinel-2 and EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program), for mapping the spatial extent of these mine waste surfaces. For this task we propose a new index, termed the iron feature depth (IFD), derived from Landsat-8 OLI data to map the 900-nm absorption feature as a potential proxy for monitoring the spatial extent of mine waste. OLI was chosen, because it represents the most suitable sensor to map the IFD over large areas in a multi-temporal manner due to its spectral band layout; its (183 km x 170 km) scene size and its revisiting time of 16 days. The IFD is in good agreement with primary and secondary iron-bearing minerals mapped by the Material Identification and Characterization Algorithm (MICA) from EO-1 Hyperion data and illustrates that a combination of hyperspectral data (EnMAP) for mineral identification with multispectral data (Sentinel-2) for repetitive area-wide mapping and monitoring of the IFD as mine waste proxy is a promising application for future spaceborne sensors. A maximum, absolute model error is used to assess the ability of existing and future multispectral sensors to characterize mine waste via its 900-nm iron absorption feature. The following sensor-signal similarity ranking can be established for spectra from gold mining material: EnMAP 100% similarity to the reference, ALI 97.5%, Sentinel-2 97%, OLI and ASTER 95% and ETM+ 91% similarity.
In dieser Arbeit wurden sphärische Gold Nanopartikel (NP) mit einem Durchmesser größer ~ 2 nm, Gold Quantenpunkte (QDs) mit einem Durchmesser kleiner ~ 2 nm sowie Gold Nanostäbchen (NRs) unterschiedlicher Länge hergestellt und optisch charakterisiert. Zudem wurden zwei neue Synthesevarianten für die Herstellung thermosensitiver Gold QDs entwickelt werden. Sphärische Gold NP zeigen eine Plasmonenbande bei ~ 520 nm, die auf die kollektive Oszillation von Elektronen zurückzuführen ist. Gold NRs weisen aufgrund ihrer anisotropen Form zwei Plasmonenbanden auf, eine transversale Plasmonenbande bei ~ 520 nm und eine longitudinale Plasmonenbande, die vom Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis der Gold NRs abhängig ist. Gold QDs besitzen keine Plasmonenbande, da ihre Elektronen Quantenbeschränkungen unterliegen. Gold QDs zeigen jedoch aufgrund diskreter Energieniveaus und einer Bandlücke Photolumineszenz (PL). Die synthetisierten Gold QDs besitzen eine Breitbandlumineszenz im Bereich von ~ 500-800 nm, wobei die Lumineszenz-eigenschaften (Emissionspeak, Quantenausbeute, Lebenszeiten) stark von den Herstellungs-bedingungen und den Oberflächenliganden abhängen. Die PL in Gold QDs ist ein sehr komplexes Phänomen und rührt vermutlich von Singulett- und Triplett-Zuständen her. Gold NRs und Gold QDs konnten in verschiedene Polymere wie bspw. Cellulosetriacetat eingearbeitet werden. Polymernanokomposite mit Gold NRs wurden erstmals unter definierten Bedingungen mechanisch gezogen, um Filme mit optisch anisotropen (richtungsabhängigen) Eigenschaften zu erhalten. Zudem wurde das Temperaturverhalten von Gold NRs und Gold QDs untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine lokale Variation der Größe und Form von Gold NRs in Polymernanokompositen durch Temperaturerhöhung auf 225-250 °C erzielt werden kann. Es zeigte sich, dass die PL der Gold QDs stark temperaturabhängig ist, wodurch die PL QY der Proben beim Abkühlen (-7 °C) auf knapp 30 % verdoppelt und beim Erhitzen auf 70 °C nahezu vollständig gelöscht werden konnte. Es konnte demonstriert werden, dass die Länge der Alkylkette des Oberflächenliganden einen Einfluss auf die Temperaturstabilität der Gold QDs hat. Zudem wurden verschiedene neuartige und optisch anisotrope Sicherheitslabels mit Gold NRs sowie thermosensitive Sicherheitslabel mit Gold QDs entwickelt. Ebenso scheinen Gold NRs und QDs für die und die Optoelektronik (bspw. Datenspeicherung) und die Medizin (bspw. Krebsdiagnostik bzw. -therapie) von großem Interesse zu sein.
With ongoing miniaturization of electronic devices, the need for individually addressable, switchable molecules arises. An example are azobenzenes on surfaces which have been shown to be switchable between trans and cis forms. Here, we examine the "direct" (rather than substrate-mediated) channel of the trans -> cis photoisomerization after pi pi* excitation of tetra-tert-butyl-azobenzene physisorbed on surfaces mimicking Au(111) and Bi(111), respectively. In spirit of the direct channel, the electronic structure of the surface is neglected, the latter merely acting as a rigid platform which weakly interacts with the molecule via Van-der-Waals forces. Starting from thermal ensembles which represent the trans-form, sudden excitations promote the molecules to pi pi*-excited states which are non-adiabatically coupled among themselves and to a n pi*-excited and the ground state, respectively. After excitation, relaxation to the ground state by internal conversion takes place, possibly accompanied by isomerization. The process is described here by "on the fly" semiclassical surface hopping dynamics in conjunction with a semiempirical Hamiltonian (AM1) and configuration-interaction type methods. It is found that steric constraints imposed by the substrate lead to reduced but non-vanishing, trans -> cis reaction yields and longer internal conversion times than for the isolated molecule. Implications for recent experiments for azobenzenes on surfaces are discussed.