Theory of laser-induced ultrafast structural changes in solids

The present thesis is a contribution to the study of laser-solid interaction. Despite the numerous applications resulting from the recent use of laser technology, there is still a lack of satisfactory answers to theoretical questions regarding the mechanism leading to the structural changes induced by femtosecond lasers in materials. We provide here theoretical approaches for the description of the structural response of different solids (cerium, samarium sulfide, bismuth and germanium) to femtosecond laser excitation. Particular interest is given to the description of the effects of the laser pulse on the electronic systems and changes of the potential energy surface for the ions. Although the general approach of laser-excited solids remains the same, the potential energy surface which drives the structural changes is calculated with different theoretical models for each material. This is due to the difference of the electronic properties of the studied systems. We use the Falicov model combined with an hydrodynamic method to study photoinduced phase changes in cerium. The local density approximation (LDA) together with the Hubbard-type Hamiltonian (LDA+U) in the framework of density functional theory (DFT) is used to describe the structural properties of samarium sulfide. We parametrize the time-dependent potential energy surface (calculated using DFT+ LDA) of bismuth on which we perform quantum dynamical simulations to study the experimentally observed amplitude collapse and revival of coherent $A_{1g}$ phonons. On the basis of a time-dependent potential energy surface calculated from a non-orthogonal tight binding Hamiltonian, we perform molecular dynamics simulation to analyze the time evolution (coherent phonons, ultrafast nonthermal melting) of germanium under laser excitation. The thermodynamic equilibrium properties of germanium are also reported. With the obtained results we are able to give many clarifications and interpretations of experimental results and also make predictions.

Synthesis and characterisation of novel nitrogen and fluorine containing spirobifluorene derivatives for electronic applications and crystal engineering

Among organic materials, spirobifluorene derivatives represent a very attractive class of materials for electronic devices. These compounds have high melting points, glass transitions temperatures and morphological stability, which makes these materials suitable for organic electronic applications. In addition, some of spirobifluorenes can form porous supramolecular associations with significant volumes available for the inclusion of guests. These molecular associations based on the spirobifluorenes are noteworthy because they are purely molecular analogues of zeolites and other microporous solids, with potential applications in separation, catalysis, sensing and other areas.

Effects of Organic and Inorganic Fertilizers on Growth and Yield of Banana (Musa AAA cv. Malindi) in Oman

The Sultanate of Oman is located on the south-eastern coast of the Arabian Peninsula, which lies on the south-western tip of the Asian continent. The strategic geographical locations of the Sultanate with its many maritime ports distributed on the Indian Ocean have historically made it one of the Arabian Peninsula leaders in the international maritime trade sector. Intensive trading relationships over long time periods have contributed to the high plant diversity seen in Oman where agricultural production depends entirely on irrigation from groundwater sources. As a consequence of the expansion of the irrigated area, groundwater depletion has increased, leading to the intrusion of seawater into freshwater aquifers. This phenomenon has caused water and soil salinity problems in large parts of the Al-Batinah governorate of Oman and threatens cultivated crops, including banana (Musa spp.). According to the Ministry of Agriculture and Fisheries, the majority of South Al-Batinah farms are affected by salinity (ECe > 4 dS m-1). As no alternative farmland is available, the reclamation of salt-affected soils using simple cultural practices is of paramount importance, but in Oman little scientific research has been conducted to develop such methods of reclamation. This doctoral study was initiated to help filling this research gap, particularly for bananas. A literature review of the banana cultivation history revealed that the banana germplasm on the Arabian Peninsula is probably introduced from Indonesia and India via maritime routes across the Indian Ocean and the Red Sea. In a second part of this dissertation, two experiments are described. A laboratory trial conducted at the University of Kassel, in Witzenhausen, Germany from June to July 2010. This incubation experiment was done to explore how C and N mineralization of composted dairy manure and date palm straw differed in alkaline non-saline and saline soils. Each soil was amended with four organic fertilizers: 1) composted dairy manure, 2) manure + 10% date palm straw, 3) manure + 30% date palm straw or 4) date palm straw alone, in addition to un-amended soils as control. The results showed that the saline soil had a lower soil organic C content and microbial biomass C than the non-saline soil. This led to lower mineralization rates of manure and date palm straw in the saline soil. In the non-saline soil, the application of manure and straw resulted in significant increases of CO2 emissions, equivalent to 2.5 and 30% of the added C, respectively. In the non-amended control treatment of the saline soil, the sum of CO2-C reached only 55% of the soil organic C in comparison with the non-saline soil. In which 66% of the added manure and 75% of the added straw were emitted, assuming that no interactions occurred between soil organic C, manure C and straw C during microbial decomposition. The application of straw always led to a net N immobilization compared to the control. Salinity had no specific effect on N mineralization as indicated by the CO2-C to Nmin ratio of soil organic matter and manure. However, N immobilization was markedly stronger in the saline soil. Date palm straw strongly promoted saprotrophic fungi in contrast to manure and the combined application of manure and date palm straw had synergistic positive effects on soil microorganisms. In the last week of incubation, net-N mineralization was observed in nearly all treatments. The strongest increase in microbial biomass C was observed in the manure + straw treatment. In both soils, manure had no effect on the fungi-specific membrane component ergosterol. In contrast, the application of straw resulted in strong increases of the ergosterol content. A field experiment was conducted on two adjacent fields at the Agricultural Research Station, Rumais (23°41’15” N, 57°59’1” E) in the South of Al-Batinah Plain in Oman from October 2007 to July 2009. In this experiment, the effects of 24 soil and fertilizer treatments on the growth and productivity of Musa AAA cv. 'Malindi' were evaluated. The treatments consisted of two soil types (saline and amended non-saline), two fertilizer application methods (mixed and ring applied), six fertilizer amendments (1: fresh dairy manure, 2: composted dairy manure, 3: composted dairy manure and 10% date palm straw, 4: composted dairy manure and 30% date palm straw, 5: only NPK, and 6: NPK and micronutrients). Sandy loam soil was imported from another part of Oman to amended the soil in the planting holes and create non-saline conditions in the root-zone. The results indicate that replacing the saline soil in the root zone by non-saline soil improved plant growth and yield more than fertilizer amendments or application methods. Particularly those plants on amended soil where NPK was applied using the ring method and which received micronutrients grew significantly faster to harvest (339 days), had a higher average bunch weight (9.5 kg/bunch) and were consequently more productive (10.6 tonnes/hectare/cycle) compared to the other treatments.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.

Ab initio Molecular Dynamics Simulations of the Structural Response of Solids to Ultrashort Laser and XUV Pulses

The theoretical model and underlying physics described in this thesis are about the interaction of femtosecond-laser and XUV pulses with solids. The key to understand the basics of such interaction is to study the structural response of the materials after laser interaction. Depending on the laser characteristics, laser-solid interaction can result in a wide range of structural responses such as solid-solid phase transitions, vacuum phonon squeezing, ultrafast melting, generation of coherent phonons, etc. During my research work, I have modeled the systems irradiated by low-, medium- and high-laser intensities, and studied different types of structural dynamics of solids at various laser fluences.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.