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.

Studies about the atomic capabilities concept for linear control systems in physical multi-agent environments

This paper shows the impact of the atomic capabilities concept to include control-oriented knowledge of linear control systems in the decisions making structure of physical agents. These agents operate in a real environment managing physical objects (e.g. their physical bodies) in coordinated tasks. This approach is presented using an introspective reasoning approach and control theory based on the specific tasks of passing a ball and executing the offside manoeuvre between physical agents in the robotic soccer testbed. Experimental results and conclusions are presented, emphasising the advantages of our approach that improve the multi-agent performance in cooperative systems

Atomic diffusion induced by stress relaxation in InGaAs/GaAs epitaxial layers

The origin of the microscopic inhomogeneities in InxGa1-xAs layers grown on GaAs by molecular beam epitaxy is analyzed through the optical absorption spectra near the band gap. It is seen that, for relaxed thick layers of about 2.8μm, composition inhomogeneities are responsible for the band edge smoothing into the whole compositional range (0.05atomic diffusion at the surface during growth, induced by the strain inhomogeneities that arise from stress relaxation. In consequence, the strain variations present in the layer are converted into composition variations during growth. This process is energetically favorable as it diminishes elastic energy. An additional support to this hypothesis is given by a clear proportionality between the magnitude of the composition variations and the mean strain

Effective atomic orbitals for fuzzy atoms

The method of extracting effective atomic orbitals and effective minimal basis sets from molecular wave function characterizing the state of an atom in a molecule is developed in the framework of the "fuzzy" atoms. In all cases studied, there were as many effective orbitals that have considerable occupation numbers as orbitals in the classical minimal basis. That is considered to be of high conceptual importance

Comparative characterisation by atomic force microscopy and ellipsometry of soft and solid thin films

Ellipsometry and atomic force microscopy (AFM) were used to study the film thickness and the surface roughness of both 'soft' and solid thin films. 'Soft' polymer thin films of polystyrene and poly(styrene-ethylene/butylene-styrene) block copolymer were prepared by spin-coating onto planar silicon wafers. Ellipsometric parameters were fitted by the Cauchy approach using a two-layer model with planar boundaries between the layers. The smooth surfaces of the prepared polymer films were confirmed by AFM. There is good agreement between AFM and ellipsometry in the 80-130 nm thickness range. Semiconductor surfaces (Si) obtained by anisotropic chemical etching were investigated as an example of a randomly rough surface. To define roughness parameters by ellipsometry, the top rough layers were treated as thin films according to the Bruggeman effective medium approximation (BEMA). Surface roughness values measured by AFM and ellipsometry show the same tendency of increasing roughness with increased etching time, although AFM results depend on the used window size. The combined use of both methods appears to offer the most comprehensive route to quantitative surface roughness characterisation of solid films. Copyright (c) 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

Cu-II acetate complexes involving N,N,O donor Schiff base ligands: Mono-atomic oxygen bridged dimers and alternating chains of the dimers and Cu-2(OAc)(4)

Two tridentate N,N,O donor Schiff bases, HL1 (4-(2-ethylamino-ethylimino)-pentan-2-one) and HL2 (3-(2-amino-propylimino)-1-phenyl-butan-1-one) on reaction with Cu-II acetate in presence of triethyl amine yielded two basal-apical, mono-atomic acetate oxygen-bridging dimeric copper(II) complexes, [Cu2L21(OAc)(2)] (1), [Cu2L22(OAc)(2)] (2). Whereas two other similar tridentate ligands HL3 (4-(2-amino-propylimino)-pentane-2-one) and HL3 (3-(2-amino-ethylimino)-1-phenyl-butan-1-one) under the same conditions produced a mixture of the corresponding dinners and a one-dimensional alternating chain of the dimer and copper acetate moiety, [Cu4L23(OAc)(6)](n) (3) and [Cu4L24(OAc)(6)](n) (4), formed by a very rare mu(3) bridging mode of the acetate ion. All four complexes (1-4) have been characterized by X-ray crystallography. The isotropic Hamiltonian, H = -JS(1)S(2) has been used to interpret the magnetic data. Magnetic measurements of 1 and 2 in the temperature range 2-300 K reveal a very weak antiferromagnetic coupling for both complexes U = -0.56 and -1.19 cm(-1) for 1 and 2, respectively). (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Crystal structure of the complementary quadruplex formed by d(GCATGCT) at atomic resolution

Here we report the crystal structure of the DNA heptanucleotide sequence d(GCATGCT) determined to a resolution of 1.1 Angstrom. The sequence folds into a complementary loop structure generating several unusual base pairings and is stabilised through cobalt hexammine and highly defined water sites. The single stranded loop is bound together through the G(N2)-C(O2) intra-strand H-bonds for the available G/C residues, which form further Watson-Crick pairings to a complementary sequence, through 2-fold symmetry, generating a pair of non-planar quadruplexes at the heart of the structure. Further, four adenine residues stack in pairs at one end, H-bonding through their N7-N6 positions, and are additionally stabilised through two highly conserved water positions at the structural terminus. This conformation is achieved through the rotation of the central thymine base at the pinnacle of the loop structure, where it stacks with an adjacent thymine residue within the lattice. The crystal packing yields two halved biological units, each related across a 2-fold symmetry axis spanning a cobalt hexammine residue between them, which stabilises the quadruplex structure through H-bonds to the phosphate oxygens and localised hydration.

Surface structure of thin asymmetric PS-b-PMMA diblock copolymers investigated by atomic force microscopy

Asymmetric poly(styrene-b-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) diblock copolymers of molecular weight M-n = 29,700g mol(-1) (M-PS = 9300 g mol(-1) M-PMMA = 20,100 g mol(-1), PD = 1.15, chi(PS) = 0.323, chi(PMMA) = 0.677) and M-n = 63,900 g mol(-1) (M-PS = 50,500 g mol(-1), M-PMMA = 13,400 g mol(-1), PD = 1.18, chi(PS) = 0.790, chi(PMMA) = 0.210) were prepared via reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Atomic force microscopy (AFM) was used to investigate the surface structure of thin films, prepared by spin-coating the diblock copolymers on a silicon substrate. We show that the nanostructure of the diblock copolymer depends on the molecular weight and volume fraction of the diblock copolymers. We observed a perpendicular lamellar structure for the high molar mass sample and a hexagonal-packed cylindrical patterning for the lower molar mass one. Small-angle X-ray scattering investigation of these samples without annealing did not reveal any ordered structure. Annealing of PS-b-PMMA samples at 160 degrees C for 24 h led to a change in surface structure.

Direct visualisation of lipid bilayer cubic phases using Atomic Force Microscopy

Inverse bicontinuous cubic (Q(II)) phases are nanostructured materials formed by lipid self-assembly. We have successfully imaged thin films of hydrated Q(II) phases from two different systems using AFM. The images show periodic arrays of water channels with spacing and symmetry consistent with published SAXS data on the bulk materials.