Characterization of structure and dynamics of submicrometric systems via fluorescence correlation spectroscopy

The presented thesis revolves around the study of thermally-responsive PNIPAAm-based hydrogels in water/based environments, as studied by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS).rnThe goal of the project was the engineering of PNIPAAm gels into biosensors. Specifically, a gamma of such gels were both investigated concerning their dynamics and structure at the nanometer scale, and their performance in retaining bound bodies upon thermal collapse (which PNIPAAm undergoes upon heating above 32 ºC).rnFCS’s requirements, as a technique, match the limitations imposed by the system. Namely, the need to intimately probe a system in a solvent, which was also fragile and easy to alter. FCS, on the other hand, both requires a fluid environment to work, and is based on the observation of diffusion of fluorescents at nanomolar concentrations. FCS was applied to probe the hydrogels on the nanometer size with minimal invasivity.rnVariables in the gels were addressed in the project including crosslinking degree; structural changes during thermal collapse; behavior in different buffers; the possibility of decreasing the degree of inhomogeneity; behavior of differently sized probes; and the effectiveness of antibody functionalization upon thermal collapse.rnThe evidenced results included the heightening of structural inhomogeneities during thermal collapse and under different buffer conditions; the use of annealing to decrease the inhomogeneity degree; the use of differently sized probes to address different length scale of the gel; and the successful functionalization before and after collapse.rnThe thesis also addresses two side projects, also carried forward via FCS. One, diffusion in inverse opals, produced a predictive simulation model for diffusion of bodies in confined systems as dependent on the bodies’ size versus the characteristic sizes of the system. The other was the observation of interaction of bodies of opposite charge in a water solution, resulting in a phenomenological theory and an evaluation method for both the average residence time of the different bodies together, and their attachment likelihood.

Hard x-ray photoelectron spectroscopy of bulk and thin films of Heusler compounds

X-ray photoemission spectroscopy (XPS) is one of the most universal and powerful tools for investigation of chemical states and electronic structures of materials. The application of hard x-rays increases the inelastic mean free path of the emitted electrons within the solid and thus makes hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) a bulk sensitive probe for solid state research and especially a very effective nondestructive technique to study buried layers.rnThis thesis focuses on the investigation of multilayer structures, used in magnetic tunnel junctions (MTJs), by a number of techniques applying HAXPES. MTJs are the most important components of novel nanoscale devices employed in spintronics. rnThe investigation and deep understanding of the mechanisms responsible for the high performance of such devices and properties of employed magnetic materials that are, in turn, defined by their electronic structure becomes feasible applying HAXPES. Thus the process of B diffusion in CoFeB-based MTJs was investigated with respect to the annealing temperature and its influence on the changes in the electronic structure of CoFeB electrodes that clarify the behaviour and huge TMR ratio values obtained in such devices. These results are presented in chapter 6. The results of investigation of the changes in the valence states of buried off-stoichiometric Co2MnSi electrodes were investigated with respect to the Mn content α and its influence on the observed TMR ratio are described in chapter 7.rnrnMagnetoelectronic properties such as exchange splitting in ferromagnetic materials as well as the macroscopic magnetic ordering can be studied by magnetic circular dichroism in photoemission (MCDAD). It is characterized by the appearance of an asymmetry in the photoemission spectra taken either from the magnetized sample with the reversal of the photon helicity or by reversal of magnetization direction of the sample when the photon helicity direction is fixed. Though recently it has been widely applied for the characterization of surfaces using low energy photons, the bulk properties have stayed inaccessible. Therefore in this work this method was integrated to HAXPES to provide an access to exploration of magnetic phenomena in the buried layers of the complex multilayer structures. Chapter 8 contains the results of the MCDAD measurements employing hard x-rays for exploration of magnetic properties of the common CoFe-based band-ferromagnets as well as half-metallic ferromagnet Co2FeAl-based MTJs.rnrnInasmuch as the magnetoresistive characteristics in spintronic devices are fully defined by the electron spins of ferromagnetic materials their direct measurements always attracted much attention but up to date have been limited by the surface sensitivity of the developed techniques. Chapter 9 presents the results on the successfully performed spin-resolved HAXPES experiment using a spin polarimeter of the SPLEED-type on a buried Co2FeAl0.5Si0.5 magnetic layer. The measurements prove that a spin polarization of about 50 % is retained during the transmission of the photoelectrons emitted from the Fe 2p3/2 state through a 3-nm-thick oxide capping layer.rn

Studies of degradation of organic solar cell materials using electrical scanning probe microscopy

Intense research is being done in the field of organic photovoltaics in order to synthesize low band-gap organic molecules. These molecules are electron donors which feature in combination with acceptor molecules, typically fullerene derivarntives, forming an active blend. This active blend has phase separated bicontinuous morphology on a nanometer scale. The highest recorded power conversionrnefficiencies for such cells have been 10.6%. Organic semiconductors differ from inorganic ones due to the presence of tightly bonded excitons (electron-hole pairs)resulting from their low dielectric constant (εr ≈2-4). An additional driving force is required to separate such Frenkel excitons since their binding energy (0.3-1 eV) is too large to be dissociated by an electric field alone. This additional driving force arises from the energy difference between the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor and the acceptor materials. Moreover, the efficiency of the cells also depends on the difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the donor and LUMO of the acceptor. Therefore, a precise control and estimation of these energy levels are required. Furthermore any external influences that change the energy levels will cause a degradation of the power conversion efficiency of organic solar cell materials. In particular, the role of photo-induced degradation on the morphology and electrical performance is a major contribution to degradation and needs to be understood on a nanometer scale. Scanning Probe Microscopy (SPM) offers the resolution to image the nanometer scale bicontinuous morphology. In addition SPM can be operated to measure the local contact potential difference (CPD) of materials from which energy levels in the materials can be derived. Thus SPM is an unique method for the characterization of surface morphology, potential changes and conductivity changes under operating conditions. In the present work, I describe investigations of organic photovoltaic materials upon photo-oxidation which is one of the major causes of degradation of these solar cell materials. SPM, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and UV-Vis spectroscopy studies allowed me to identify the chemical reactions occurring inside the active layer upon photo-oxidation. From the measured data, it was possible to deduce the energy levels and explain the various shifts which gave a better understanding of the physics of the device. In addition, I was able to quantify the degradation by correlating the local changes in the CPD and conductivity to the device characteristics, i.e., open circuit voltage and short circuit current. Furthermore, time-resolved electrostatic force microscopy (tr-EFM) allowed us to probe dynamic processes like the charging rate of the individual donor and acceptor domains within the active blend. Upon photo-oxidation, it was observed, that the acceptor molecules got oxidized first preventing the donor polymer from degrading. Work functions of electrodes can be tailored by modifying the interface with monomolecular thin layers of molecules which are made by a chemical reaction in liquids. These modifications in the work function are particularly attractive for opto-electronic devices whose performance depends on the band alignment between the electrodes and the active material. In order to measure the shift in work function on a nanometer scale, I used KPFM in situ, which means in liquids, to follow changes in the work function of Au upon hexadecanethiol adsorption from decane. All the above investigations give us a better understanding of the photo-degradation processes of the active material at the nanoscale. Also, a method to compare various new materials used for organic solar cells for stability is proposed which eliminates the requirement to make fully functional devices saving time and additional engineering efforts.

Computer simulations of two-dimensional colloidal crystals under confinement and shear

In this thesis we are presenting a broadly based computer simulation study of two-dimensional colloidal crystals under different external conditions. In order to fully understand the phenomena which occur when the system is being compressed or when the walls are being sheared, it proved necessary to study also the basic motion of the particles and the diffusion processes which occur in the case without these external forces. In the first part of this thesis we investigate the structural transition in the number of rows which occurs when the crystal is being compressed by placing the structured walls closer together. Previous attempts to locate this transition were impeded by huge hysteresis effects. We were able to determine the transition point with higher precision by applying both the Schmid-Schilling thermodynamic integration method and the phase switch Monte Carlo method in order to determine the free energies. These simulations showed not only that the phase switch method can successfully be applied to systems with a few thousand particles and a soft crystalline structure with a superimposed pattern of defects, but also that this method is way more efficient than a thermodynamic integration when free energy differences are to be calculated. Additionally, the phase switch method enabled us to distinguish between several energetically very similar structures and to determine which one of them was actually stable. Another aspect considered in the first result chapter of this thesis is the ensemble inequivalence which can be observed when the structural transition is studied in the NpT and in the NVT ensemble. The second part of this work deals with the basic motion occurring in colloidal crystals confined by structured walls. Several cases are compared where the walls are placed in different positions, thereby introducing an incommensurability into the crystalline structure. Also the movement of the solitons, which are created in the course of the structural transition, is investigated. Furthermore, we will present results showing that not only the well-known mechanism of vacancies and interstitial particles leads to diffusion in our model system, but that also cooperative ring rotation phenomena occur. In this part and the following we applied Langevin dynamics simulations. In the last chapter of this work we will present results on the effect of shear on the colloidal crystal. The shear was implemented by moving the walls with constant velocity. We have observed shear banding and, depending on the shear velocity, that the inner part of the crystal breaks into several domains with different orientations. At very high shear velocities holes are created in the structure, which originate close to the walls, but also diffuse into the inner part of the crystal.

Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Stochastische Modelle für nichtlineare Antwortfunktionen in ungeordneten Systemen

In dieser Arbeit werden nichtlineare Experimente zur Untersuchung der Dynamik in amorphen Festkörpern im Rahmen von Modellrechnungen diskutiert. Die Experimente beschäftigen sich mit der Frage nach dynamischen Heterogenitäten, worunter man das Vorliegen dynamischer Prozesse auf unterschiedlichen Zeitskalen versteht. Ist es möglich, gezielt 'langsame' oder 'schnelle' Dynamik in der Probe nachzuweisen, so ist die Existenz von dynamischen Heterogenitäten gezeigt. Ziel der Experimente sind deshalb sogenannte frequenzselektive Anregungen des Systems. In den beiden diskutierten Experimenten, zum einen nichtresonantes Lochbrennen, zum anderen ein ähnliches Experiment, das auf dem dynamischen Kerreffekt beruht, werden nichtlineare Antwortfunktionen gemessen. Um eine Probe in frequenzselektiver Weise anzuregen, werden zunächst einer oder mehrere Zyklen eines oszillierenden elektrischen Feldes an die Probe angelegt. Die Experimente werden zunächst im Terahertz-Bereich untersucht. Auf dieser Zeitskala findet man phonon-ähnliche kollektive Schwingungen in Gläsern. Diese Schwingungen werden durch (anharmonische) Brownsche Oszillatoren beschrieben. Der zentrale Befund der Modellrechnungen ist, daß eine frequenzselektive Anregung im Terahertz-Bereich möglich ist. Ein Nachweis dynamischer Heterogenitäten im Terahertz-Bereich ist somit durch beide Experimente möglich. Anschliessend wird das vorgestellte Kerreffekt-Experiment im Bereich wesentlich kleinerer Frequenzen diskutiert. Die langsame Reorientierungsdynamik in unterkühlten Flüssigkeiten wird dabei durch ein Rotationsdiffusionsmodell beschrieben. Es werden zum einen ein heterogenes und zum anderen ein homogenes Szenario zugrundegelegt. Es stellt sich heraus, daß wie beim Lochbrennen eine Unterscheidung durch das Experiment möglich ist. Das Kerreffekt-Experiment wird somit als eine relativ einfache Alternative zur Technik des nichtresonanten Lochbrennens vorgeschlagen.

First principle study of ions in water and ionic liquids

Die beiden in dieser Arbeit betrachteten Systeme, wässrige Lösungen von Ionen und ionische Flüssigkeiten, zeigen vielfältige Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten, im Gegensatz zu anderen Systemen. Man findet sie beinahe überall im normalen Leben (Wasser), oder ihre Bedeutung wächst (ioinische Flüssigkeiten). Der elektronische Anteil und der atomare Anteil wurden getrennt voneinander untersucht und im Zusammenhang analysiert. Mittels dieser Methode konnten die in dem jeweiligen System auftretenden Mechanismen genauer untersucht werden. Diese Methode wird "Multiscale Modeling" genannt, dabei werden die Untereinheiten eines Systems genauer betrachtet, wie in diesem Fall die elektronischen and atomaren Teilsystem. Die Ergebnisse, die aus den jeweiligen Betrachtungen hervorgehen, zeigen, dass, im Falle von hydratisierten Ionen die Wasser-Wasser Wechselwirkungen wesentlich stärker sind als die elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Wasser und dem Ion. Anhand der Ergebnisse ergibt sich, dass normale nicht-polarisierbare Modelle ausreichen, um Ionen-Wasser Lösungen zu beschreiben. Im Falle der ionischen Flüssigkeiten betrachten wir die elektronische Ebene mittels sehr genauer post-Hartree-Fock Methoden und DFT, deren Ergebnisse dann mit denen auf molekularer Ebene (mithilfe von CPMD/klassischer MD) in Beziehung gesetzt werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Wasserstoff-Brückenbindungen im Fall der ionischen Flüssigkeiten nicht vernachässigt werden können. Weiterhin hat diese Studie herausgefunden, dass die klassischen Kraftfelder die Elektrostatik (Dipol- und Quadrupolmomente) nicht genau genug beschreibt. Die Kombination des mikroskopischen Mechanismus und der molekularen Eigenschaften ist besonders sinnvoll um verschiedene Anhaltspunkte von Simualtionen (z.B. mit klassische Molekular-Dynamik) oder Experimenten zu liefern oder solche zu erklären.

Crystal phases and glassy dynamics in monodisperse hard ellipsoids

We have performed Monte Carlo and molecular dynamics simulations of suspensions of monodisperse, hard ellipsoids of revolution. Hard-particle models play a key role in statistical mechanics. They are conceptually and computationally simple, and they offer insight into systems in which particle shape is important, including atomic, molecular, colloidal, and granular systems. In the high density phase diagram of prolate hard ellipsoids we have found a new crystal, which is more stable than the stretched FCC structure proposed previously . The new phase, SM2, has a simple monoclinic unit cell containing a basis of two ellipsoids with unequal orientations. The angle of inclination is very soft for length-to-width (aspect) ratio l/w=3, while the other angles are not. A symmetric state of the unit cell exists, related to the densest-known packings of ellipsoids; it is not always the stable one. Our results remove the stretched FCC structure for aspect ratio l/w=3 from the phase diagram of hard, uni-axial ellipsoids. We provide evidence that this holds between aspect ratios 3 and 6, and possibly beyond. Finally, ellipsoids in SM2 at l/w=1.55 exhibit end-over-end flipping, warranting studies of the cross-over to where this dynamics is not possible. Secondly, we studied the dynamics of nearly spherical ellipsoids. In equilibrium, they show a first-order transition from an isotropic phase to a rotator phase, where positions are crystalline but orientations are free. When over-compressing the isotropic phase into the rotator regime, we observed super-Arrhenius slowing down of diffusion and relaxation, and signatures of the cage effect. These features of glassy dynamics are sufficiently strong that asymptotic scaling laws of the Mode-Coupling Theory of the glass transition (MCT) could be tested, and were found to apply. We found strong coupling of positional and orientational degrees of freedom, leading to a common value for the MCT glass-transition volume fraction. Flipping modes were not slowed down significantly. We demonstrated that the results are independent of simulation method, as predicted by MCT. Further, we determined that even intra-cage motion is cooperative. We confirmed the presence of dynamical heterogeneities associated with the cage effect. The transit between cages was seen to occur on short time scales, compared to the time spent in cages; but the transit was shown not to involve displacements distinguishable in character from intra-cage motion. The presence of glassy dynamics was predicted by molecular MCT (MMCT). However, as MMCT disregards crystallization, a test by simulation was required. Glassy dynamics is unusual in monodisperse systems. Crystallization typically intervenes unless polydispersity, network-forming bonds or other asymmetries are introduced. We argue that particle anisometry acts as a sufficient source of disorder to prevent crystallization. This sheds new light on the question of which ingredients are required for glass formation.

Ionic liquids in a multiscale study

Trotz des hohen Interesse an Ionischen Flüssigkeiten wird das zielgerichtete Design und die Anwendung Ionischer Flüssigkeiten durch fehlendes grundlegendes Verständnis erschwert. Deshalb wurde die Balance der molekularen Wechselwirkungen in Ionischen Flüssigkeiten studiert, um die Eigenschaften dieser zu verstehen und die Kraftfeldentwicklung im Rahmen des Multiskalenansatzes zu systematisieren. Es wurden reine Imidazolium-basierte Ionische Flüssigkeiten, Mischungen mit kleinen Molekülen und eine protische Ionische Flüssigkeit mit ab-initio-Methoden, hauptsächlich Car-Parrinello-Molekulardynamik, untersucht. Weiterhin wurden Eigenschaften der Flüssigphase mit denen von Ionenpaaren verglichen.rnIm Fokus standen die molekularen elektrostatischen Eigenschaften und es wurde gezeigt, dass Coulomb-Wechselwirkungen zu einzigartigen Charakteristika führten. So waren die Ionen-Nettoladungen stets reduziert, die molekularen Dipolmomentverteilungen sehr breit, elektronische Polarisation war entscheidend. Die elektrostatischen Eigenschaften waren allgemein lokal auf molekularen Größen- und Zeitskalen und hingen stark von Phasenzustand und Zusammensetzung ab. Für andere molekulare Eigenschaften, wie der Neigung zu dispersiven Kontakten oder Wasserstoffbrücken, wurde gezeigt, dass sie einen entscheidenden Einfluss auf die Feinstruktur Ionischer Flüssigkeiten hatten. Das Gleichgewicht der Wechselwirkungen zeigte sich auch in Leistungsspektren, die sich aus den ab-initio-Molekulardynamiksimulationen ergaben. Diese boten einen neuen Weg für den Vergleich zum Experiment und für einen Einblick in die schnelle Dynamik Ionischer Flüssigkeiten.

Plasmon-enhanced dynamic light scattering of gold nanorods in bulk and near a wall

Transportprozesse von anisotropen metallischen Nanopartikeln wie zum Beispiel Gold-Nanostäbchen in komplexen Flüssigkeiten und/oder begrenzten Geometrien spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Ein Weg zu einem tiefen, grundlegenden Verständnis von Transportmechanismen ist die Verwendung zweier leistungsstarker Methoden - dynamischer Lichtstreuung (DLS) und resonanzverstärkter Lichtstreuung (REDLS) in der Nähe einer Grenzfläche. In dieser Arbeit wurden nanomolare Suspensionen von Gold-Nanostäbchen, stabilisiert mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), mit DLS sowie in der Nähe einer Grenzfläche mit REDLS untersucht. Mit DLS wurde eine wellenlängenabhängige Verstärkung der anisotropen Streuung beobachtet, welche sich durch die Anregung von longitudinaler Oberflächenplasmonenresonanz ergibt. Die hohe Streuintensität nahe der longitudinalen Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für Stäbchen, welche parallel zum anregenden optischen Feld liegen, erlaubte die Auflösung der translationalen Anisotropie in einem isotropen Medium. Diese wellenlängenabhängige anisotrope Lichtstreuung ermöglicht neue Anwendungen wie etwa die Untersuchung der Dynamik einzelner Partikel in komplexen Umgebungen mittels depolarisierter dynamischer Lichtstreuung. In der Nähe einer Grenzfläche wurde eine starke Verlangsamung der translationalen Diffusion beobachtet. Hingegen zeigte sich für die Rotation zwar eine ausgeprägte aber weniger starke Verlangsamung. Um den möglichen Einfluss von Ladung auf der festen Grenzfläche zu untersuchen, wurde das Metall mit elektrisch neutralem Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet. In einem weiteren Ansatz wurde das CTAB in der Gold-Nanostäbchen Lösung durch das kovalent gebundene 16-Mercaptohexadecyltrimethylammoniumbromid (MTAB) ersetzt. Daraus ergab sich eine deutlich geringere Verlangsamung.