Experimental and Theoretical Study on the One- and Two-Photon Absorption Properties of Novel Organic Molecules Based on Phenylacetylene and Azoaromatic Moieties

This Article reports a combined experimental and theoretical analysis on the one and two-photon absorption properties of a novel class of organic molecules with a pi-conjugated backbone based on phenylacetylene (JCM874, FD43, and FD48) and azoaromatic (YB3p2S) moieties. Linear optical properties show that the phenylacetylene-based compounds exhibit strong molar absorptivity in the UV and high fluorescence quantum yield with lifetimes of approximately 2.0 ns, while the azoaromatic-compound has a strong absorption in the visible region with very low fluorescence quantum yield. The two-photon absorption was investigated employing nonlinear optical techniques and quantum chemical calculations based on the response functions formalism within the density functional theory framework. The experimental data revealed well-defined 2PA spectra with reasonable cross-section values in the visible and IR. Along the nonlinear spectra we observed two 2PA allowed bands, as well as the resonance enhancement effect due to the presence of one intermediate one-photon allowed state. Quantum chemical calculations revealed that the 2PA allowed bands correspond to transitions to states that are also one-photon allowed, indicating the relaxation of the electric-dipole selection rules. Moreover, using the theoretical results, we were able to interpret the experimental trends of the 2PA spectra. Finally, using a few-energy-level diagram, within the sum-over-essential states approach, we observed strong qualitative and quantitative correlation between experimental and theoretical results.

A broad study of two new promising antimycobacterial drugs: Ag(I) and Au(I) complexes with 2-(2-thienyl)benzothiazole

Synthesis, characterization, DFT simulation and biological assays of two new metal complexes of 2-(2-thienyl)benzothiazole - BTT are reported. The complexes [Ag(BTT)(2)NO3] - AgBTT2 and [Au(BTT)Cl]center dot 1/2H(2)O - AuBTT were obtained by mixing the ligand with silver (I) nitrate or gold(I) chloride in methanolic solution. Characterization of the complexes were based on elemental (C, H, N and S), thermal (TG-DTA) analysis, C-13 and H-1 NMR, FT-IR and UV-Vis spectroscopic measurements, as well as the X-ray structure determination for AgBTT2. Spectroscopic data predicted by DFT calculations were in agreement with the experimental data for both complexes. The ligand BTT was synthesized by the condensation of 2-thiophenecarboxaldehyde and 2-aminothiophenol in a microwave furnace. AgBTT2 has a monomeric structure. Both complexes show a good activity against Mycobacterium tuberculosis. Free BIT shows low antitubercular activity. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Further monoterpene chromane esters from Peperomia obtusifolia: VCD determination of the absolute configuration of a new diastereomeric mixture

A reinvestigation of the monoterpene chromane ester enriched fraction from Peperomia obtusifolia using chiral chromatography led to the identification of a minor peak, which was elucidated by NMR and HRMS as fenchyl-3,4-dihydro-5-hydroxy-2,7-dimethyl-8-(3 ''-methyl-2 ''-butenyl)-2-(4'-methyl-1',3'-pentadienyl)-2H-1-benzopyran-6-carboxylate, the same structure assigned to two other fenchyl esters described previously, pointing out a stereoisomeric relationship among them. Further NMR analysis revealed that it was actually a mixture of two compounds, whose absolute configurations were determined by VCD measurements. Although, almost no vibrational transitions could be assigned to the chiral chromane, the experimental VCD spectrum was largely opposite to that obtained for the average experimental VCD [(2S,1'''R,2'''R,4'''S + 2R,1'''R,2'''R,4'''S)/2] for fenchol derivatives. These results allowed us to assign the putative compounds as a racemic mixture of the chiral chromane esterified with the monoterpene (1S,2S,4R)fenchol, which had not been identified in our early work. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

DFT and synchrotron radiation study of Eu2+ doped BaAl2O4

The structural distortions resulting from the size mismatch between the Eu2+ luminescent centre and the host Ba2+ cation as well as the electronic structure of BaAl2O4:Eu2+(,Dy3+) were studied using density functional theory (DFT) calculations and synchrotron radiation (SR) luminescence spectroscopy. The modified interionic distances as well as differences in the total energies indicate that Eu2+ prefers the smaller of the two possible Ba sites in the BaAl2O4 host. The calculated Eu2+ 4f(7) and 4f(6)5d(1) ground level energies confirm that the excited electrons can reach easily the conduction band for subsequent trapping. In addition to the green luminescence, a weak blue emission band was observed in BaAl2O4:Eu2+,Dy3+ probably due to the creation of a new Ba2+ site due to the effect of water exposure on the host. (C) 2012 Optical Society of America

Characterization of Heparin-induced Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase Early Amyloid-like Oligomers and Their Implication in alpha-Synuclein Aggregation

Lewy bodies and Lewy neurites, neuropathological hallmarks of several neurological diseases, are mainly made of filamentous assemblies of alpha-synuclein. However, other macromolecules including Tau, ubiquitin, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, and glycosaminoglycans are routinely found associated with these amyloid deposits. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase is a glycolytic enzyme that can form fibrillar aggregates in the presence of acidic membranes, but its role in Parkinson disease is still unknown. In this work, the ability of heparin to trigger the amyloid aggregation of this protein at physiological conditions of pH and temperature is demonstrated by infrared and fluorescence spectroscopy, dynamic light scattering, small angle x-ray scattering, circular dichroism, and fluorescence microscopy. Aggregation proceeds through the formation of short rod-like oligomers, which elongates in one dimension. Heparan sulfate was also capable of inducing glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase aggregation, but chondroitin sulfates A, B, and C together with dextran sulfate had a negligible effect. Aided with molecular docking simulations, a putative binding site on the protein is proposed providing a rational explanation for the structural specificity of heparin and heparan sulfate. Finally, it is demonstrated that in vitro the early oligomers present in the glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase fibrillation pathway promote alpha-synuclein aggregation. Taking into account the toxicity of alpha-synuclein prefibrillar species, the heparin-induced glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase early oligomers might come in useful as a novel therapeutic strategy in Parkinson disease and other synucleinopathies.

The T-2 phase in the Nb-Si-B system studied by ab initio calculations and synchrotron X-ray diffraction

The solid solution based on Nb5Si3 (Cr5B3 structure type, D8(l), tl32, 14/mcm, No140, a=6.5767 angstrom, c=11.8967 angstrom) in the Nb-Si-B system was studied from the structural and thermodynamic point of view both experimentally and by ab initio calculations. Rietveld refinement of powder X-ray synchrotron data allowed to determine the boron to silicon substitution mechanism and the structural parameters. Ab initio calculations of different ordered compounds and selected disordered alloys allowed to obtain in addition to the enthalpy of formation of the solution, substitution mechanism and structural parameters which are in excellent agreement with the experimental data. The stability of the phase is discussed. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Interaction of gramicidin with DPPC/DODAB bilayer fragments

The interaction between the antimicrobial peptide gramicidin (Gr) and dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC)/dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) 1:1 large unilamellar vesicles (LVs) or bilayer fragments (BFs) was evaluated by means of several techniques. The major methods were: 1) Gr intrinsic fluorescence and circular dichroism (CD) spectroscopy; 2) dynamic light scattering for sizing and zeta-potential analysis; 3) determination of the bilayer phase transition from extrinsic fluorescence of bilayer probes; 4) pictures of the dispersions for evaluation of coloidal stability over a range of time and NaCl concentration. For Gr in LVs, the Gr dimeric channel conformation is suggested from: 1) CD and intrinsic fluorescence spectra similar to those in trifluoroethanol (TFE); 2) KCl or glucose permeation through the LVs/Gr bilayer. For Gr in BFs, the intertwined dimeric, non-channel Gr conformation is evidenced by CD and intrinsic fluorescence spectra similar to those in ethanol. Both LVs and BFs shield Gr tryptophans against quenching by acrylamide but the Stern-Volmer quenching constant was slightly higher for Gr in BFs confirming that the peptide is more exposed to the water phase in BFs than in LVs. The DPPC/DODAB/Gr supramolecular assemblies may predict the behavior of other antimicrobial peptides in assemblies with lipids. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Functional characterization and oligomerization of a recombinant xyloglucan-specific endo-beta-1,4-glucanase (GH12) from Aspergillus niveus

Xyloglucan is a major structural polysaccharide of the primary (growing) cell wall of higher plants. It consists of a cellulosic backbone (beta-1,4-linked glucosyl residues) that is frequently substituted with side chains. This report describes Aspergillus nidulans strain A773 recombinant secretion of a dimeric xyloglucan-specific endo-beta-1,4-glucanohydrolase (XegA) cloned from Aspergillus niveus. The ORF of the A. niveus xegA gene is comprised of 714 nucleotides, and encodes a 238 amino acid protein with a calculated molecular weight of 23.5 kDa and isoelectric point of 4.38. The optimal pH and temperature were 6.0 and 60 degrees C, respectively. XegA generated a xyloglucan-oligosaccharides (XGOs) pattern similar to that observed for cellulases from family GH12, i.e., demonstrating that its mode of action includes hydrolysis of the glycosidic linkages between glucosyl residues that are not branched with xylose. In contrast to commercial lichenase, mixed linkage beta-glucan (lichenan) was not digested by XegA, indicating that the enzyme did not cleave glucan beta-1,3 or beta-1,6 bonds. The far-UV CD spectrum of the purified enzyme indicated a protein rich in beta-sheet structures as expected for GH12 xyloglucanases. Thermal unfolding studies displayed two transitions with mid-point temperatures of 51.3 degrees C and 81.3 degrees C respectively, and dynamic light scattering studies indicated that the first transition involves a change in oligomeric state from a dimeric to a monomeric form. Since the enzyme is a predominantly a monomer at 60 degrees C. the enzymatic assays demonstrated that XegA is more active in its monomeric state. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

N-Heterocyclic carbene complexes of silver, rhodium and iron: structures, dynamics and catalysis

The research performed in the framework of this Master Thesis has been directly inspired by the recent work of an organometallic research group led by Professor Maria Cristina Cassani on a topic related to the structures, dynamics and catalytic activity of N-heterocyclic carbene-amide rhodium(I) complexes1. A series of [BocNHCH2CH2ImR]X (R = Me, X = I, 1a’; R = Bz, X = Br, 1b’; R = trityl, X = Cl, 1c’) amide-functionalized imidazolium salts bearing increasingly bulky N-alkyl substituents were synthetized and characterized. Subsequently, these organic precursors were employed in the synthesis of silver(I) complexes as intermediate compounds on a way to rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-(2-NHBoc-ethyl)-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me (3a’), R = Bz (3b’), R = trityl (3c’); X = I, R = Me (4a’)). VT NMR studies of these complexes revealed a restricted rotation barriers about the metal-carbene bond. However, while the rotation barriers calculated for the complexes in which R = Me, Bz (3a’,b’ and 4a) matched the experimental values, this was not true in the trityl case 3c’, where the experimental value was very similar to that obtained for compound 3b’ and much smaller with respect to the calculated one. In addition, the energy barrier derived for 3c’ from line shape simulation showed a strong dependence on the temperature, while the barriers measured for 3a’,b’ did not show this effect. In view of these results and in order to establish the reasons for the previously found inconsistency between calculated and experimental thermodynamic data, the first objective of this master thesis was the preparation of a series of rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-benzyl-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me, Bz, trityl, tBu), containing the benzyl substituent as a chiral probe, followed by full characterization. The second objective of this work was to investigate the catalytic activity of the new rhodium compounds in the hydrosilylation of terminal alkynes for comparison purposes with the reported complexes. Another purpose of this work was to employ the prepared N-heterocyclic ligands in the synthesis of iron(II)-NHC complexes.

Entwicklung der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronenmikroskopie für die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von mikrostrukturierten magnetischen Schichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskopie (TR-PEEM) für die in-situ Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in dünnen mikrostrukturierten magnetischen Schichten während eines rasch verändernden externen Magnetfelds entwickelt. Das Experiment basiert auf der Nutzung des XMCD-Kontrasts (X-ray magnetic circular dichroism) mit Hilfe des zirkularpolarisierten Lichts von Synchrotronstrahlungsquellen (Elektronenspeicherringen BESSY II (Berlin) und ESRF (Grenoble)) für die dynamische Darstellung der magnetischen Domänen während ultraschneller Magnetisierungsvorgänge. Die hier entwickelte Methode wurde als erfolgreiche Kombination aus einer hohen Orts- und Zeitauflösung (weniger als 55 nm bzw. 15 ps) realisiert. Mit der hier beschriebenen Methode konnte nachgewiesen werden, dass die Magnetisierungsdynamik in großen Permalloy-Mikrostrukturen (40 µm x 80 µm und 20 µm x 80 µm, 40 nm dick) durch inkohärente Drehung der Magnetisierung und mit der Bildung von zeitlich abhängigen Übergangsdomänen einher geht, die den Ummagnetisierungsvorgang blockieren. Es wurden neue markante Differenzen zwischen der magnetischen Response einer vorgegebenen Dünnfilm-Mikrostruktur auf ein gepulstes externes Magnetfeld im Vergleich zu dem quasi-statischen Fall gefunden. Dies betrifft die Erscheinung von transienten raumzeitlichen Domänenmustern und besonderen Detailstrukturen in diesen Mustern, welche im quasi-statischen Fall nicht auftreten. Es wurden Beispiele solcher Domänenmuster in Permalloy-Mikrostrukturen verschiedener Formen und Größen untersucht und diskutiert. Insbesondere wurde die schnelle Verbreiterung von Domänenwänden infolge des präzessionalen Magnetisierungsvorgangs, die Ausbildung von transienten Domänenwänden und transienten Vortizes sowie die Erscheinung einer gestreiften Domänenphase aufgrund der inkohärenten Drehung der Magnetisierung diskutiert. Ferner wurde die Methode für die Untersuchung von stehenden Spinwellen auf ultradünnen (16 µm x 32 µm groß und 10 nm dick) Permalloy-Mikrostrukturen herangezogen. In einer zum periodischen Anregungsfeld senkrecht orientierten rechteckigen Mikrostruktur wurde ein induziertes magnetisches Moment gefunden. Dieses Phänomen wurde als „selbstfangende“ Spinwellenmode interpretiert. Es wurde gezeigt, dass sich eine erzwungene Normalmode durch Verschiebung einer 180°-Néelwand stabilisiert. Wird das System knapp unterhalb seiner Resonanzfrequenz angeregt, passt sich die Magnetisierungsverteilung derart an, dass ein möglichst großer Teil der durch das Anregungsfeld eingebrachten Energie im System verbleibt. Über einem bestimmten Grenzwert verursacht die Spinwellenmode nahe der Resonanzfrequenz eine effektive Kraft senkrecht zur 180°-Néel-Wand. Diese entsteht im Zentrum der Mikrostruktur und wird durch die streufeldinduzierte Kraft kompensiert. Als zusätzliche Möglichkeit wurden die Streufelder von magnetischen Mikrostrukturen während der dynamischen Prozesse quantitativ bestimmt und das genaue zeitliche Profil des Streufelds untersucht. Es wurde gezeigt, dass das zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskop als ultraschnelles oberflächensensitives Magnetometer eingesetzt werden kann.

Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

Aktivierung von Hämocyanin zur Tyrosinase

Ziel der Arbeit war die enzymatische Aktivierung von Cheliceraten-Hämocyanin zur Erforschung ihrer Phenoloxidase-Aktivität. Hierzu wurden zwei Hämocyanine in vergleichenden Untersuchungen herangezogen: Das bekannte 24-mer aus der Spinne Eurypelma californicum und das ebenfalls 24-mere Hämocyanin des Skorpions Pandinus imperator, dessen Struktur hier aufgeklärt wurde. Elektronenmikroskopisch und in der dynamischer Lichtstreuung sind sich beide Hämocyanine sehr ähnlich und sedimentieren bei analytischer Ultrazentrifugation ebenfalls in gleicher Weise (Sedimentationskoeffizient von 37 S (S20, W)). Durch Dissoziation im alkalischen Milieu gewinnt man bis zu zwölf Untereinheiten, von denen sich neun immunologisch unterscheiden lassen. Das absorptionsspektroskopische Verhalten von P. imperator- und E. californicum-Hämocyanin sowie Sekundärstrukturanalyse mittels CD-Spektroskopie ist nahezu identisch. Die Stabilität des Hämocyanins gegenüber Temperatur und Denaturierungsmitteln wurde mit Circulardichroismus- und Fluoreszenzspektroskopie sowie durch die enzymatische Aktivität untersucht. Erstmals konnten die Hämocyanine von P. imperator und E. californicum nicht nur zu einer stabilen Diphenoloxidase umgewandelt werden, sondern auch eine Monophenolhydroxylase-Aktivität induziert und reguliert werden. Für letztere Aktivität ist dabei die Präsenz von Tris- oder Hepes-Puffer wesentlich. Während sich die Monophenolhydroxylase-Aktivität nur auf Ebene der oligomeren Zustände beobachten lässt, erkennt man bei den isolierten Untereinheiten-Typen lediglich eine Diphenoloxidase-Aktivität. Bei dem Spinnen-Hämocyanin zeigen die Untereinheiten bc die stärkste katalytische Aktivität auf, bei P. imperator-Hämocyanin findet man drei bis vier Untereinheiten, die enzymatisch aktiv sind. Die Aktivierung mit SDS liefert den Hinweis, dass die Quartärstruktur in eine andere Konformation gebracht und nicht durch SDS denaturiert wird. Zugabe von Mg2+ reguliert die Phenoloxidase-Aktivität und verschiebt bei P. imperator-Hämocyanin die enzymatische Aktivität zugunsten der Diphenoloxidase. Mit keiner der zur Verfügung stehenden Methoden konnte jedoch ein Konformationsübergang eindeutig nachgewiesen werden. Die Stabilität scheint durch die niedrigen SDS-Konzentrationen nicht beeinträchtigt zu werden. Die sehr lange “Verzögerungsphase“ bei der Monophenolhydroxylase-Aktivität konnte durch Zugabe von katalytischem Diphenol drastisch verkürzt werden, was ein Hinweis auf die echte Tyrosinase-Aktivität des aktivierten Hämocyanins ist. Ein in vivo-Aktivator konnte bis jetzt noch nicht gefunden werden. Trotzdem scheinen die Hämocyanine in der Immunologie von Cheliceraten eine bedeutende Rolle zu spielen, indem sie die Rolle der Tyrosinasen / Phenoloxidasen beziehungsweise Catecholoxidasen übernehmen, die bei Cheliceraten nicht vorkommen. Weitere Möglichkeiten des Cheliceraten-Immunsystems, eindringende Fremdorganismen abzuwehren, wurden untersucht. Das Fehlen einer ´echten` Phenoloxidase-Aktivität bei den Cheliceraten, mit der Fähigkeit, sowohl mono- als auch diphenolische Substrate umzusetzen, stützt die Hypothese, dass aktiviertes Hämocyanin in vivo an die Stelle der Phenoloxidase tritt.

Magnetization dynamics in spin valves

Key technology applications like magnetoresistive sensors or the Magnetic Random Access Memory (MRAM) require reproducible magnetic switching mechanisms. i.e. predefined remanent states. At the same time advanced magnetic recording schemes push the magnetic switching time into the gyromagnetic regime. According to the Landau-Lifschitz-Gilbert formalism, relevant questions herein are associated with magnetic excitations (eigenmodes) and damping processes in confined magnetic thin film structures.rnObjects of study in this thesis are antiparallel pinned synthetic spin valves as they are extensively used as read heads in today’s magnetic storage devices. In such devices a ferromagnetic layer of high coercivity is stabilized via an exchange bias field by an antiferromagnet. A second hard magnetic layer, separated by a non-magnetic spacer of defined thickness, aligns antiparallel to the first. The orientation of the magnetization vector in the third ferromagnetic NiFe layer of low coercivity - the freelayer - is then sensed by the Giant MagnetoResistance (GMR) effect. This thesis reports results of element specific Time Resolved Photo-Emission Electron Microscopy (TR-PEEM) to image the magnetization dynamics of the free layer alone via X-ray Circular Dichroism (XMCD) at the Ni-L3 X-ray absorption edge.rnThe ferromagnetic systems, i.e. micron-sized spin valve stacks of typically deltaR/R = 15% and Permalloy single layers, were deposited onto the pulse leading centre stripe of coplanar wave guides, built in thin film wafer technology. The ferromagnetic platelets have been applied with varying geometry (rectangles, ellipses and squares), lateral dimension (in the range of several micrometers) and orientation to the magnetic field pulse to study the magnetization behaviour in dependence of these magnitudes. The observation of magnetic switching processes in the gigahertz range became only possible due to the joined effort of producing ultra-short X-ray pulses at the synchrotron source BESSY II (operated in the so-called low-alpha mode) and optimizing the wave guide design of the samples for high frequency electromagnetic excitation (FWHM typically several 100 ps). Space and time resolution of the experiment could be reduced to d = 100 nm and deltat = 15 ps, respectively.rnIn conclusion, it could be shown that the magnetization dynamics of the free layer of a synthetic GMR spin valve stack deviates significantly from a simple phase coherent rotation. In fact, the dynamic response of the free layer is a superposition of an averaged critically damped precessional motion and localized higher order spin wave modes. In a square platelet a standing spin wave with a period of 600 ps (1.7 GHz) was observed. At a first glance, the damping coefficient was found to be independent of the shape of the spin-valve element, thus favouring the model of homogeneous rotation and damping. Only by building the difference in the magnetic rotation between the central region and the outer rim of the platelet, the spin wave becomes visible. As they provide an additional efficient channel for energy dissipation, spin waves contribute to a higher effective damping coefficient (alpha = 0.01). Damping and magnetic switching behaviour in spin valves thus depend on the geometry of the element. Micromagnetic simulations reproduce the observed higher-order spin wave mode.rnBesides the short-run behaviour of the magnetization of spin valves Permalloy single layers with thicknesses ranging from 3 to 40 nm have been studied. The phase velocity of a spin wave in a 3 nm thick ellipse could be determined to 8.100 m/s. In a rectangular structure exhibiting a Landau-Lifschitz like domain pattern, the speed of the field pulse induced displacement of a 90°-Néel wall has been determined to 15.000 m/s.rn

Amidverknüpfte Ferrocene - schaltbare molekulare Drähte und Sensoren

In dieser Arbeit werden Synthesen und Eigenschaften von Verbindungen mit einer oder mehreren Ferrocen- bzw. Biferroceneinheiten beschrieben, die über Amid-, Anhydrid- oder Harnstoff-Funktionen verknüpft oder mittels Amidfunktion an α-Aminosäurederivate gebunden sind. Als Zentralbausteine dienen die künstlichen Aminosäuren 1’-Aminoferrocen-1-carbonsäure (Fca) bzw. 1’-Aminobiferrocen-1-carbonsäure (Bfca). Die Ferroceneinheit agiert als redoxschaltbares Gelenk, die Amidfunktion ermöglicht die Ausbildung von Sekundärstrukturen und die Bindung von Anionen. Das redoxschaltbare „Multiwellenlängen“-Sensorpaar [Dansyl-Ala-Fca-Ala-CH2-Naphthyl]0/+ ist in der Lage, insgesamt sieben Anionen aufgrund von sechs einfach zu erhaltenden optischen Messwerten eindeutig zu diskriminieren. Die Vorzugskonformation des neutralen Rezeptors mit intramolekularen Wasserstoffbrücken wird mittels X-Ray, NMR- und DFT-Methoden im Festkörper, in Lösung und in der Gasphase bestimmt. Die oligomeren Fca-Verbindungen SG-Fcan-HN-Fc (SG = Boc, Fmoc; n = 1, 2) und SG-Fca2-OMe (SG = Boc, Fmoc) werden mittels Peptidkupplung in Lösung hergestellt, Fmoc-Fca3-Gly-OMe, Fmoc-Fcan-OMe (n = 3-5) und Fmoc-Fca4-NH2 dagegen durch ein neu entwickeltes Festphasensynthese-Protokoll. Die amidverknüpften Verbindungen bilden eine „Zick-Zack“-Struktur mit 1,2’-Konformation der Fca-Einheiten und achtgliedrigen intramolekularen Wasserstoffbrücken-Ringen, wie durch X-Ray, 2D-NMR-, DFT-Methoden und Dipolmoment-Bestimmung gezeigt wird. Elektrochemische Experimente belegen eine elektronische Wechselwirkung der Eisenzentren. Die gemischt-valenten Verbindungen zeichnen sich durch IVCT-Banden im nahen Infrarot aus. Die elektronische Kopplungskonstante beträgt Hab ≈ 145-215 cm–1 für einen einzelnen FeII/FeIII-Übergang und belegt die Zugehörigkeit der Verbindungen zur Robin-Day-Klasse II. Im Festkörper sind die Valenzen gemäß Mößbauerspektren lokalisiert. Die vollständig oxidierten Verbindungen liegen nach DFT-Rechnungen nicht mehr in einer „Zick-Zack“-Struktur, sondern in einer gestreckten Konformation vor. Als Nebenprodukte bei der Amidkupplung werden die Anhydride SG-(Fca)2O (SG = Ac, Boc, Fmoc) isoliert. Diese zählen aufgrund des Fehlens einer IVCT-Bande zur Klasse I-II. Die ferrocenyloge Bfca wird in Form der N- und C-geschützten Bfca auf zwei Wegen synthetisiert. Schlüsselschritte stellen die Cu(II)-vermittelte Homokupplung bzw. die Pd-katalysierte Stille-Kupplung dar. Bfca und die amid- und harnstoffverknüpften Bis-Bfca-Verbindungen besitzen keine nachweisbare Vorzugskonformation in Lösung. Die gemischt-valenten Bfca-Kationen zeigen eine IVCT-Bande (Hab ≈ 300-600 cm–1) und gehören eher zur Klasse II-III. Die gemischt-valenten Verbindungen des als Nebenprodukt isolierten Tetraferrocenylstannans Sn[Fn(COOMe)4] (Fn = 1,1’-Ferrocenylen) mit einatomiger σ-Brücke zwischen den Ferroceneinheiten, zeigen IVCT-Banden im NIR-Spektrum und gehören somit zur Klasse II. Die elektronischen Kopplungen in Sn[Fn(COOMe)4]+/2+ betragen Hab ≈ 145 und 220 cm–1.

Band structure of Heusler compounds studied by photoemission and tunneling spectroscopy

Heusler compounds are key materials for spintronic applications. They have attracted a lot of interest due to their half-metallic properties predicted by band structure calculations.rnThe aim of this work is to evaluate experimentally the validity of the predictions of half metallicity by band structure calculations for two specific Heusler compounds, Co2FeAl0.3Si0.7 and Co2MnGa. Two different spectroscopy methods for the analysis of the electronic properties were used: Angular Resolved Ultra-violet Photoemission Spectroscopy (ARUPS) and Tunneling Spectroscopy.rnHeusler compounds are prepared as thin films by RF-sputtering in an ultra-high vacuum system. rnFor the characterization of the samples, bulk and surface crystallographic and magnetic properties of Co2FeAl0.3Si0.7 and Co2MnGa are studied. X-ray and electron diffraction reveal a bulk and surface crossover between two different types of sublattice order (from B2 to L21) with increasing annealing temperature. X-ray magnetic circular dichroism results show that the magnetic properties in the surface and bulk are identical, although the magnetic moments obtained are 5% below from the theoretically predicted.rnBy ARUPS evidence for the validity of the predicted total bulk density of states (DOS) was demonstrated for both Heusler compounds. Additional ARUPS intensity contributions close to the Fermi energy indicates the presence of a specific surface DOS. Moreover, it is demonstrated that the crystallographic order, controlled by annealing, plays an important role on brodening effects of DOS features. Improving order resulted in better defined ARUPS features.rnTunneling magnetoresistance measurements of Co2FeAl0.3Si0.7 and Co2MnGa based MTJ’s result in a Co2FeAl0.3Si0.7 spin polarization of 44%, which is the highest experimentally obtained value for this compound, although it is lower than the 100% predicted. For Co2MnGa no high TMR was achieved.rnUnpolarized tunneling spectroscopy reveals contribution of interface states close to the Fermi energy. Additionally magnon excitations due to magnetic impurities at the interface are observed. Such contributions can be the reason of a reduced TMR compared to the theoretical predictions. Nevertheless, for energies close to the Fermi energy and for Co2MnGa, the validity of the band structure calculations is demonstrated with this technique as well.