929 resultados para Ultrafast transient absorption spectroscopy
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The study of photophysical and photochemical processes crosses the interest of many fields of research in physics, chemistry and biology. In particular, the photophysical and photochemical reactions, after light absorption by a photosynthetic pigment-protein complex, are among the fastest events in biology, taking place on timescales ranging from tens of femtoseconds to a few nanoseconds. Among the experimental approaches developed for this purpose, the advent of ultrafast transient absorption spectroscopy has become a powerful and widely used technique.[1,2] Focusing on the process of photosynthesis, it relies upon the efficient absorption and conversion of the radiant energy from the Sun. Chlorophylls and carotenoids are the main players in the process. Photosynthetic pigments are typically arranged in a highly organized fashion to constitute antennas and reaction centers, supramolecular devices where light harvesting and charge separation take place. The very early steps in the photosynthetic process take place after the absorption of a photon by an antenna system, which harvests light and eventually delivers it to the reaction center. In order to compete with internal conversion, intersystem crossing, and fluorescence, which inevitably lead to energy loss, the energy and electron transfer processes that fix the excited-state energy in photosynthesis must be extremely fast. In order to investigate these events, ultrafast techniques down to a sub-100 fs resolution must be used. In this way, energy migration within the system as well as the formation of new chemical species such as charge-separated states can be tracked in real time. This can be achieved by making use of ultrafast transient absorption spectroscopy. The basic principles of this notable technique, instrumentation, and some recent applications to photosynthetic systems[3] will be described. Acknowledgements M. Moreno Oliva thanks the MINECO for a “Juan de la Cierva-Incorporación” research contract. References [1] U. Megerle, I. Pugliesi, C. Schriever, C.F. Sailer and E. Riedle, Appl. Phys. B, 96, 215 – 231 (2009). [2] R. Berera, R. van Grondelle and J.T.M. Kennis, Photosynth. Res., 101, 105 – 118 (2009). [3] T. Nikkonen, M. Moreno Oliva, A. Kahnt, M. Muuronen, J. Helaja and D.M. Guldi, Chem. Eur. J., 21, 590 – 600 (2015).
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The solvent plays a decisive role in the photochemistry and photophysics of aromatic ketones. Xanthone (XT) is one such aromatic ketone and its triplet-triplet (T-T) absorption spectra show intriguing solvatochromic behavior. Also, the reactivity of XT towards H-atom abstraction shows an unprecedented decrease in protic solvents relative to aprotic solvents. Therefore, a comprehensive solvatochromic analysis of the triplet-triplet absorption spectra of XT was carried out in conjunction with time dependent density functional theory using the ad hoc explicit solvent model approach. A detailed solvatochromic analysis of the T-T absorption bands of XT suggests that the hydrogen bonding interactions are different in the corresponding triplet excited states. Furthermore, the contributions of non-specific and hydrogen bonding interactions towards differential solvation of the triplet states in protic solvents were found to be of equal magnitude. The frontier molecular orbital and electron density difference analysis of the T-1 and T-2 states of XT indicates that the charge redistribution in these states leads to intermolecular hydrogen bond strengthening and weakening, respectively, relative to the S-0 state. This is further supported by the vertical excitation energy calculations of the XT-methanol supra-molecular complex. The intermolecular hydrogen bonding potential energy curves obtained for this complex in the S-0, T-1, and T-2 states support the model. In summary, we propose that the different hydrogen bonding mechanisms exhibited by the two lowest triplet excited states of XT result in a decreasing role of the n pi* triplet state, and are thus responsible for its reduced reactivity towards H-atom abstraction in protic solvents. (C) 2016 AIP Publishing LLC.
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We investigate the photoexcited state dynamics in a donor-acceptor copolymer, poly{3,6-dithiophene-2-yl-2,5-di(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]- pyrrole-1,4-dione-alt-naphthalene} (pDPP-TNT), by picosecond fluorescence and femtosecond transient absorption spectroscopies. Timeresolved fluorescence lifetime measurements of pDPP-TNT thin films reveal that the lifetime of the singlet excited state is 185 ± 5 ps and that singlet-singlet annihilation occurs at excitation photon densities above 6 × 1017 photons/cm3. From the results of singlet-singlet annihilation analysis, we estimate that the single-singlet annihilation rate constant is (6.0 ± 0.2) × 109cm3 s-1 and the singlet diffusion length is -7 nm. From the comparison of femtosecond transient absorption measurements and picosecond fluorescence measurements, it is found that the time profile of the photobleaching signal in the charge-transfer (CT) absorption band coincides with that of the fluorescence intensity and there is no indication of long-lived species, which clearly suggests that charged species, such as polaron pairs and triplet excitons, are not effectively photogenerated in the neat pDPP-TNT polymer.
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3,6-Dibromo-N-ethylcarbazole (DBNEC) and its polymeric analogue poly-3,6-dibromovinylcarbazole (PDBVCz) were studied by transient absorption spectroscopy. The transient absorption spectrum of the 3,6-dibromo-N-ethylcarbazole radical cation and decay rate constants of radical cations of 3,6-dibromo-N-ethylcarbazole and its polymeric analogue are presented. In the case of unsubstituted carbazole, the ratio of the yield of radical cation of monomer to polymer is 2.0, whereas in the case of PDBVCz, under the same experimental conditions, the yield of the radical cation is an order of magnitude less in comparison with the monomer model compound DBNEC. This drastic difference in yield has been correlated to the difference in the conformational structure of the polymer as evidenced by nuclear magnetic resonance spectroscopy. (C) 1997 Elsevier Science S.A.
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Transient absorption spectroscopy (TAS) has been used to study the interfacial electron-transfer reaction between photogenerated electrons in nanocrystalline titanium dioxide (TiO2) films and molecular oxygen. TiO2 films from three different starting materials (TiO2 anatase colloidal paste and commercial anatase/rutile powders Degussa TiO2 P25 and VP TiO2 P90) have been investigated in the presence of ethanol as a hole scavenger. Separate investigations on the photocatalytic oxygen consumption by the films have also been performed with an oxygen membrane polarographic detector. Results show that a correlation exists between the electron dynamics of oxygen consumption observed by TAS and the rate of oxygen consumption through the photocatalytic process. The highest activity and the fastest oxygen reduction dynamics were observed with films fabricated from anatase TiO2 colloidal paste. The use of TAS as a tool for the prediction of the photocatalytic activities of the materials is discussed. TAS studies indicate that the rate of reduction of molecular oxygen is limited by interfacial electron-transfer kinetics rather than by the electron trapping/detrapping dynamics within the TiO2 particles.
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Diese Doktorarbeit befasst sich mit Ladungsgeneration und – rekombination in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, die spiro-OMeTAD als Lochleiter verwenden. Die vorliegende Arbeit ist in drei Fallstudien unterteilt: i.) Kern-erweiterte Rylen-Farbstoffe, ii.) ein Perylenmonoimid-Farbstoff und iii.) Donor-π verbrückte (Cyclopentadithiophen)-Akzeptor-Farbstoffe. Trotz ihres hohen molaren Extinktionskoeffizienten und der hohen Absorbanz der sensibilisierten Filme, zeigen einige dieser Farbstoffmoleküle nur geringe photovoltaischen Effizienzen. Um den Ursprung des geringen Wirkungsgrades herauszufinden, wurde breitbandige, ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie an Solarzellen durchgeführt.rnInsbesondere die Auswirkungen verschiedender Ankergruppen, Dipolmomente, Photolumineszenzlebenszeiten, Lithium-Kationensensitivität und Ladungsträgerdynamik, die alle einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle besitzen, wurden untersucht. In der ersten Fallstudie zeigte ein kurzer Rylen-Farbstoff aufgrund deutlich verlängerter Lebenszeiten die beste Effizienz im Vergleich zu größeren Kern-erweiterten Rylen-Farbstoffen. Die Lebenszeit wurde weiter reduziert, wenn Maleinsäure als Ankergruppe unter einer Ringöffnungsreaktion an die mesoporöse Oberfläche des Metalloxid-Halbleiters adsorbierte. Dies konnte mit Hilfe von Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT, B3LYP) auf die Differenz des Dipolmoments zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand zurückgeführt werden. Die Berechnungen bekräftigen die unvorteilhafte Injektion von Ladungen durch die Änderung der Richtung des Dipolmoments, wenn eine Ringöffnung der Anhydridgruppe stattfindet. In der zweiten Studie zeigte das Perylenmonoimid-Derivat ID889 einen Wirkungsgrad von 4.5% in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, wobei ID889 sogar ohne Zuhilfenahme eines Additivs in der Lage ist langlebige Farbstoffkationen zu bilden. Die Verwendung von Lithium-Kationen stabilisiert jedoch sowohl den Prozess der Ladungsgeneration als auch den der Ladungsregeneration. Des Weiteren wurde in ID889-sensitivierten Bauteilen kein reduktives Löschen beobachtet. Dabei wurde die Dynamik der Exzitonen mittels einer soft-modelling Methode Kurvenanalyse aus den Daten der transienten Absorptionsspektroskopie gewonnen. Zuletzt wurden Strukturen mit Cyclopentadithiophen(CPDT)-Baustein untersucht, die eine typische D-π-A Molekülstruktur bilden. FPH224 und 233 zeigten dabei eine bessere Effizienz als FPH231 und 303 aufgrund einer großen Injektionseffizienz (IE) und längerer Lebenszeit der angeregten Zustände. Dies kann auf reduktives Löschen in FPH231 und 303 zurückgeführt werden, wohingegen FPH224 und 233 einen moderaten Zerfall des Spirokationensignals zeigten.
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Rhenium(bipyridine)(tricarbonyl)(picoline) units have been linked covalently to tetraphenylmetalloporphyrins of magnesium and zinc via an amide bond between the bipyridine and one phenyl substituent of the porphyrin. The resulting complexes, abbreviated as [Re(CO)(3)(Pic)Bpy-MgTPP][OTf] and [Re(CO)(3)(Pic)Bpy-ZnTPP][OTf], exhibit no signs of electronic interaction between the Re(CO)(3)(bpy) units and the metalloporphyrin units in their ground states. However, emission spectroscopy reveals solvent-dependent quenching of porphyrin emission on irradiation into the long-wavelength absorption bands localized on the porphyrin. The characteristics of the excited states have been probed by picosecond time-resolved absorption (TRVIS) spectroscopy and time-resolved infrared (TRIR) spectroscopy in nitrile solvents. The presence of the charge-separated state involving electron transfer from MgTPP or ZnTPP to Re(bpy) is signaled in the TRIR spectra by a low-frequency shift in the nu(CO) bands of the Re(CO)(3) moiety similar to that observed by spectroelectrochemical reduction. Long-wavelength excitation of [Re(CO)(3)(Pic)Bpy-MTPP][OTf] results in characteristic TRVIS spectra of the S-1 state of the porphyrin that decay with a time constant of 17 ps (M = Mg) or 24 ps (M = Zn). The IR bands of the CS state appear on a time scale of less than 1 ps (Mg) or ca. 5 ps (Zn) and decay giving way to a vibrationally excited (i.e., hot) ground state via back electron transfer. The IR bands of the precursors recover with a time constant of 35 ps (Mg) or 55 ps (Zn). The short lifetimes of the charge-transfer states carry implications for the mechanism of reaction in the presence of triethylamine.
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Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.
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The photoinduced electron transfer processes in a nanoheterostructured semiconductor assembly are complex and depend on various parameters Of the constituents of the assembly. We present here the ultrafast electron transfer characteristics of an assembly comprised of a Wide band semiconductor, titanium dioxide (TiO2), attached to light-harvesting cadmium sulfide (CdS) nanotrystals of varying crystallographic phase content. Quantitative analysis of Synchrotron high-resolution X-ray. diffraction data of CdS nanocrystals precisely reveals the presence of both wurtzite and zinc blende phases in varying amounts. The,estimated content of crystal phases is observed to be strongly dependent on an important synthesis parameter, viz., the ratio of the two solvents. The biphasit nature of CdS influences directly the shape of the nanocrystal at long reaction times as well as the transfer of the photoexcited electrons from the CdS to TiO2 as obtained from transient absorption spectroscopy. A higher amount of zinc blende Phase is observed to be beneficial for fast electron transfer across the CdS-TiO2 interface. The electron transfer rate constant differs by one order of magnitude between the CdS nanocryStals and varies linearly with the fraction of the phases.
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We combine theories of optimal pump-dump control and the related transient probe absorption spectroscopy in order to elucidate the relation between these two optical processes and the possibility of experimental realization. In the weak response regime, we identify the globally optimal pair of pump-dump control fields, and further propose a second-order difference detection scheme to monitor the wave packets dynamics that is jointly controlled by both the pump and dump fields. The globally optimal solution serves also as the initial input for the iterative search for the optimal control fields in the strong response regime. We use a model I-2 molecule to demonstrate numerically the pump-dump control and the detection of a highly vibrationally excited wave packet focusing dynamics on the ground X surface in both the weak and strong response regimes. The I2B surface serves as the intermediate to assist the pump-dump control and the optical detection processes. Demonstrated in the strong response regime are the optimal pair of pump-dump molecular-pi pulses that invert nearly total population onto the predefined target region within a half period of vibration motion. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0021-9606(99)00115-4].
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Through the use of Transient Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS), the rate coefficient for the vibrational relaxation of N2O (ν2) by O(3P) at room temperature (32 ºC)) was determined to be (1.51 ± 0.11)x10-12 cm3molecule-1sec-1. A Q-switched, frequency quadrupled (266 nm) Nd:YAG laser pulse was used as the pump for this experiment. This pulse caused the photodissociation of O3 into O2 and O atoms.Excited oxygen (O(1D)) was collisionally quenched to ground state (O(3P)) by Ar and/or Xe. Photodissociation also caused a temperature jump within the system, exciting the ν2 state of N2O molecules. Population in the ν2 state was monitored through a TDLASobservation of a ν3 transition. Data were fit using a Visual Fortran 6.0 Global Fitting program. Analysis of room temperature data taken using only Ar to quench O atoms to the ground state gave the same rate coefficient as analysis of data taken using an Ar/Xe mixture, suggesting Ar alone is a sufficient bath gas. Experimentation was alsoperformed at -27 ºC and -82 ºC for a temperature dependence analysis. A linear regression analysis gave a rate coefficient dependence on temperature of ... for the rate coefficient of the vibrational relaxation of N2O (ν2) by atomic oxygen.
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215 p.
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This paper deals with a new form of nonlinear Raman spectroscopy called `ultrafast Raman loss spectroscopy (URLS)'. URLS is analogous to stimulated Raman spectroscopy (SRS) but is much more sensitive than SRS. The signals are background (noise) free unlike in coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS) and it provides natural fluorescence rejection, which is a major problem in Raman spectroscopy. In addition, being a self-phase matching process, the URLS experiment is much easier than CARS, which requires specific phase matching of the laser pulses. URLS is expected to be alternative if not competitive to CARS microscopy, which has become a popular technique in applications to materials, biology and medicine.
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The chemical shifts in the X-ray K-absorption edge of strontium in various compounds and in six minerals are measured using a single crystal X-ray spectrometer. Besides valence, the shifts are found to be governed by ionic charges on the absorbing ions, which are calculated employing Pauling's method. For the minerals the plot of chemical shift against the theoretically calculated ionic charges is used to determine the charges on the strontium ions.