New developments in state-specific multireference coupled-cluster theory

Coupled-cluster theory in its single-reference formulation represents one of the most successful approaches in quantum chemistry for the description of atoms and molecules. To extend the applicability of single-reference coupled-cluster theory to systems with degenerate or near-degenerate electronic configurations, multireference coupled-cluster methods have been suggested. One of the most promising formulations of multireference coupled cluster theory is the state-specific variant suggested by Mukherjee and co-workers (Mk-MRCC). Unlike other multireference coupled-cluster approaches, Mk-MRCC is a size-extensive theory and results obtained so far indicate that it has the potential to develop to a standard tool for high-accuracy quantum-chemical treatments. This work deals with developments to overcome the limitations in the applicability of the Mk-MRCC method. Therefore, an efficient Mk-MRCC algorithm has been implemented in the CFOUR program package to perform energy calculations within the singles and doubles (Mk-MRCCSD) and singles, doubles, and triples (Mk-MRCCSDT) approximations. This implementation exploits the special structure of the Mk-MRCC working equations that allows to adapt existing efficient single-reference coupled-cluster codes. The algorithm has the correct computational scaling of d*N^6 for Mk-MRCCSD and d*N^8 for Mk-MRCCSDT, where N denotes the system size and d the number of reference determinants. For the determination of molecular properties as the equilibrium geometry, the theory of analytic first derivatives of the energy for the Mk-MRCC method has been developed using a Lagrange formalism. The Mk-MRCC gradients within the CCSD and CCSDT approximation have been implemented and their applicability has been demonstrated for various compounds such as 2,6-pyridyne, the 2,6-pyridyne cation, m-benzyne, ozone and cyclobutadiene. The development of analytic gradients for Mk-MRCC offers the possibility of routinely locating minima and transition states on the potential energy surface. It can be considered as a key step towards routine investigation of multireference systems and calculation of their properties. As the full inclusion of triple excitations in Mk-MRCC energy calculations is computational demanding, a parallel implementation is presented in order to circumvent limitations due to the required execution time. The proposed scheme is based on the adaption of a highly efficient serial Mk-MRCCSDT code by parallelizing the time-determining steps. A first application to 2,6-pyridyne is presented to demonstrate the efficiency of the current implementation.

Einzelmolekülspektroskopie an einer homologen Reihe von Rylendiimiden und an einem bichromophoren Modellsystem für elektronischen Energietransfer

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Fluoreszenzdynamik und zum Mechanismus des Photobleichens einzelner Farbstoffmoleküle einer homologen Reihe von Rylentetracarbonsäurediimiden durchgeführt. Mit der Erweiterung des elektronischen π-Systems verringert sich die HOMO/LUMO-Energiedifferenz, so dass strahlungslose Relaxationsprozesse gemäß des Energielückengesetzes zunehmen. Die konfokale Einzelmolekülspektroskopie in Kombination mit zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung ermöglicht es, Fluktuationen der inneren Konversionsrate zu detektieren. Der limitierende Faktor jedes Einzelmolekülexperiments ist die Photostabilität der Moleküle. Für die homologe Reihe konnten mindestens zwei Photobleichmechanismen identifiziert werden. Wenn Singulett-Sauerstoff durch Selbstsensibilisierung erzeugt werden kann, ist unter Luft die Photooxidation der wahrscheinlichste Mechanismus. Unter Ausschluss von Luftsauerstoff spielt die Bildung langlebiger Dunkelzustände eine entscheidende Rolle, die bevorzugt über höher angeregte Triplett- und Singulett-Zustände abläuft. Es wird angenommen, dass es sich hierbei um einen reversiblen Ionisierungsprozess handelt, bei dem das Radikal-Kation der Rylendiimide gebildet wird. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine geeignete Wahl der Anregungsbedingungen die Dunkelzustandspopulierung verhindert und zugleich die Photostabilität der Fluorophore deutlich erhöht wird. Durch die Verknüpfung der beiden niedrigsten Homologen erhält man ein Donor-Akzeptor-Modellsystem, bei dem die Anregungsenergie mit hoher Effizienz vom Donor- auf den Akzeptor-Chromophor übertragen wird. In der Fluoreszenz einzelner Bichromophore wurden bei selektiver Anregung des Donors kollektive Auszeiten beobachtet, die durch effiziente Singulett-Triplett-Annihilation verursacht werden.

Femtosecond laser-based investigations of magnetic circular dichroism in near-threshold photoemission

During the last decades magnetic circular dichroism (MCD) has attracted much interest and evolved into various experimental methods for the investigation of magnetic thin films. For example, synchrotron-based X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) displays the absolute values of spin and orbital magnetic moments. It thereby benefits from large asymmetry values of more than 30% due to the excitation of atomic core-levels. Similarly large values are also expected for threshold photoemission magnetic circular dichroism (TPMCD). Using lasers with photon energies in the range of the sample work function this method gives access to the occupied electronic structure close to the Fermi level. However, except for the case of Ni(001) there exist only few studies on TPMCD moreover revealing much smaller asymmetries than XMCD-measurements. Also the basic physical mechanisms of TPMCD are not satisfactorily understood. In this work we therefore investigate TPMCD in one- and two-photon photoemission (1PPE and 2PPE) for ferromagnetic Heusler alloys and ultrathin Co films using ultrashort pulsed laser light. The observed dichroism is explained by a non-conventional photoemission model using spin-resolved band-structure calculations and linear response theory. For the two Heusler alloys Ni2MnGa and Co2FeSi we give first evidence of TPMCD in the regime of two-photon photoemission. Systematic investigations concerning general properties of TPMCD in 1PPE and 2PPE are carried out at ultrathin Co films grown on Pt(111). Here, photon-energy dependent measurements reveal asymmetries of 1.9% in 1PPE and 11.7% in 2PPE. TPMCD measurements at decreased work function even yield larger asymmetries of 6.2% (1PPE) and 17% (2PPE), respectively. This demonstrates that enlarged asymmetries are also attainable for the TPMCD effect on Co(111). Furthermore, we find that the TPMCD asymmetry is bulk-sensitive for 1PPE and 2PPE. This means that the basic mechanism leading to the observed dichroism must be connected to Co bulk properties; surface effects do not play a crucial role. Finally, the enhanced TPMCD asymmetries in 2PPE compared to the 1PPE case are traced back to the dominant influence of the first excitation step and the existence of a real intermediate state. The observed TPMCD asymmetries cannot be interpreted by conventional photoemission theory which only considers direct interband transitions in the direction of observation (Γ-L). For Co(111), these transitions lead to evanescent final states. The excitation to such states, however, is incompatible with the measured bulk-sensitivity of the asymmetry. Therefore, we generalize this model by proposing the TPMCD signal to arise mostly from direct interband transitions in crystallographic directions other than (Γ-L). The necessary additional momentum transfer to the excited electrons is most probably provided by electron-phonon or -magnon scattering processes. Corresponding calculations on the basis of this model are in reasonable agreement with the experimental results so that this approach represents a promising tool for a quantitative description of the TPMCD effect. The present findings encourage an implementation of our experimental technique to time- and spatially-resolved photoemission electron microscopy, thereby enabling a real time imaging of magnetization dynamics of single excited states in a ferromagnetic material on a femtosecond timescale.

Gespeicherte Ionen in der Paulfalle: Voruntersuchungen zur Lebensdauermessung des metastabilen 6D-3/2-Zustands des 226 Ra +, Speichereigenschaften von 138 Ba + und 28 N 2 + bei Variation des Puffergasdrucks

Auf Paulfallen basierende Experimente spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Physik, z.B. der Atomphysik zum Test theoretischer Modelle und der Massenspektroskopie. Die vorliegende Arbeit widmet sich beiden Themengebieten und gliedert sich entsprechend in zwei Teilbereiche: 1) Erdalkali-Ionen sind aufgrund ihrer Energieniveaus optimale Kandidaten für Laserspektroskopie-Experimente mit Ionenfallen und bestens geeignet, um mittels der spektroskopischen Daten die theoretischen Modelle zu testen. Lediglich für Ra+ fehlen bislang als einzigem Erdalkali-Ion diese Daten wie z.B. die Lebensdauern der metastabilen Niveaus. Diese wären auch von Interesse für bereits geplante Radium-Experimente zur Paritätsverletzung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Aufbau eines Laser-Paulfallenexperiments zur Messung der Lebensdauer des 6D3/2 Zustands von 226Ra+ dokumentiert und es werden Testmessungen mit 138Ba+ vorgestellt. 2) Für die Verwendung der Paulfalle in der Massenspektroskopie und zur Analyse von Reaktionsprodukten ist die Kenntnis der Lage der im Speicherbereich auftretenden nichtlinearen Resonanzen wesentlich, ebenso wie deren Veränderung durch Dämpfung und Raumladung. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen der Speicherung großer puffergasgekühlter Ionenwolken an zwei unterschiedlichen Paulfallen-Experimenten vorgestellt. Am ersten wurden 138Ba+-Ionenwolken kontinuierlich durch Laserspektroskopie bzw. über einen elektronischen Nachweis beobachtet, während das zweite N2+-Molekülionen automatisiert destruktiv nachwies. Am N2+-Experiment wurden zwei hochaufgelöste Messungen des ersten Speicherbereichs durchgeführt, die erstmals eine direkte Überprüfung der theoretisch berechneten Verläufe der Resonanzen mit experimentellen Daten erlauben. Die Nachweiseichung ermöglichte dabei zum ersten Mal die Angabe absoluter Ionenzahlen. Im Gegensatz zu vergleichbaren früheren Messungen wurden hierbei die sich überlagernden Speicherbereiche von 4 simultan gespeicherten Ionensorten beobachtet und zur Analyse der Resonanzen herangezogen. Die nichtlinearen Resonanzen wurden untersucht bei Variation von Puffergasdruck und Ionenzahl, wobei kollektive Resonanzen ohne zusätzliche externe Anregung beobachtet wurden. Die gemessenen Raumladungsverschiebungen wurden mit theoretischen Modellen verglichen. Bei Variation des Puffergasdrucks wurde mit Bariumionen die räumliche Ausdehnung der Ionenwolke gemessen und mit Stickstoffionen die Verschiebung des Punktes optimaler Speicherung bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß der zum Ioneneinfang optimale Puffergasdruck kleiner ist als der, bei dem die längsten Speicherdauern erzielt werden. Mit gespeicherten N2+-Ionen wurde die Position extern angeregter kollektiver und individueller Resonanzen im Frequenzspektrum bei Änderung der Parameter Ionenzahl, Puffergasdruck und Dauer der Anregung untersucht, ebenso wie die Resonanzform, die mit theoretischen Linienformen verglichen wurde. Bei Änderung der Fallenparameter wurden verstärkende Effekte zwischen nahen kollektiven Resonanzen festgestellt. Die Beobachtung, welche der im Frequenzspektrum vorher identifizierten Bewegungs-Resonanzen sich bei Variation der Fallenparameter a bzw. q überlagern, ermöglicht eine bislang nicht beschriebene einfache Methode der Bestimmung von nichtlinearen Resonanzen im Stabilitätsdiagramm.

Einzelmolekülspektroskopische und quantenchemische Untersuchungen zum elektronischen Energietransfer

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Mechanismus, der Dynamik und der Kontrolle des elektronischen Energietransfers in multichromophoren Modellsystemen durchgeführt. Als Untersuchungsmethoden wurden hauptsächlich die konfokale Einzelmolekülspektroskopie und die Quantenchemie eingesetzt. Der Aufbau des Einzelmolekülmikroskops wurde bezüglich der Anregungs- und Detektionskomponenten variiert, um die unterschiedlichen Experimente durchzuführen. Die quantenchemischen Rechnungen wurden auf Dichtefunktional- und Coupled-Cluster-Niveau durchgeführt. Die aus den Rechnungen erhaltenen zusätzlichen Informationen über experimentell zum Teil schwer zugängliche Eigenschaften der Farbstoffe unterstützten die Interpretation der experimentellen Befunde. rnIn früheren Untersuchungen der AG Basché wurden die Energietransfer-Raten von Donor-Akzeptor-Systemen gemessen, die erhebliche Abweichungen von nach der Förster-Theorie berechneten Raten zeigten. Daher war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Abweichungen zu erklären. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie der Diaden experimentell untersucht, sowie die elektronische Kopplung zwischen den Chromophoren quantenchemisch berechnet. Die relative Orientierung der Chromophore in den Diaden wurde in einem Einzelmolekül-Experiment mit rotierender Anregungspolarisation abgefragt. Die erhaltenen Winkelverteilungen konnten schließlich eindeutig auf die Flexibilität der die Chromophore verbrückenden Oligophenyl-Einheiten zurückgeführt werden. Die Unterschiede der gemessenen Energietransfer-Raten zu den nach der Förster-Theorie ermittelten Werten konnten jedoch nicht über die molekulare Flexibilität der Systeme erklärt werden. Aufklärung über die Diskrepanzen zur Förster-Theorie ergaben die quantenchemischen Rechnungen. In Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Coupled-Cluster-Theorie zur Berechnung der elektronischen Kopplung eingesetzt. Die Betrachtung der isolierten Chromophore reichte aber nicht aus, um die gemessenen Abweichungen von der Förster-Theorie zu erklären. Erst über die Berücksichtigung der molekularen Brücke konnten die gefunden Abweichungen erklärt werden. Die deutliche Verstärkung der elektronischen Kopplung ist auf die Polarisierbarkeit der Brücke zurückzuführen.rnNach diesen Betrachtungen stand die Kontrolle des Energietransfers im Fokus der weiteren Untersuchungen. In den durchgeführten Einzelmolekülexperimenten wurden die Chromophore der Donor-Akzeptor-Systeme selektiv mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Beim gleichzeitigen Anregen beider Chromophore wurde Singulett-Singulett-Annihilation (SSA) induziert, ein Energietransferprozess, bei dem die Anregungsenergie vom vorigen Akzeptor zum vorigen Donor übertragen wird. Da über SSA Fluoreszenzphotonen gelöscht wurden, konnte über den Abstand der Laserpulse die Fluoreszenzintensität des einzelnen Moleküls moduliert werden. Konzeptionell verwandte Einzelmolekülexperimente wurden an einem weiteren molekularen System durchgeführt, das aus einem Kern und einer Peripherie bestand. Fluoreszenzauszeiten des Gesamtsystems bei selektiver Anregung des Kerns wurden auf die Population eines Triplett-Zustandes zurückgeführt, der die Fluoreszenz der Peripherie löschte. rnAbschließend wurde der SSA-Prozess zwischen zwei gleichartigen Chromophoren untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubte, die SSA-Zeitkonstante individueller Moleküle zu bestimmen. Hierfür wurden die Daten der gemessenen Photonen-Koinzidenzhistogramme mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergeleiteten analytischen Zusammenhangs ausgewertet, der über Monte-Carlo-Simulationen bestätigt wurde.

Electronic structure and physical properties of Heusler compounds for thermoelectric and spintronic applications

This thesis focuses on synthesis as well as investigations of the electronic structure and properties of Heusler compounds for spintronic and thermoelectric applications.rnThe first part reports on the electronic and crystal structure as well as the mechanical, magnetic, and transport properties of the polycrystalline Heusler compound Co2MnGe. The crystalline structure was examined in detail by extended X-ray absorption fine structure spectroscopy and anomalous X-ray diffraction. The low-temperature magnetic moment agrees well with the Slater-Pauling rule and indicates a half-metallic ferromagnetic state of the compound, as is predicted by ab-initio calculations. Transport measurements and hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) were performed to explain the electronic structure of the compound.rnA major part of the thesis deals with a systematical investigation of Heusler compounds for thermoelectric applications. Few studies have been reported on thermoelectric properties of p-type Heusler compounds. Therefore, this thesis focuses on the search for new p-type Heusler compounds with high thermoelectric efficiency. The substitutional series NiTi1−xMxSn and CoTi1−xMxSb (where M = Sc, V and 0 ≤ x ≤ 0.2) were synthesized and investigated theoretically and experimentally with respect to electronic structure and transport properties. The results show the possibility to create n-type and p-type thermoelectrics within one Heusler compound. The pure compounds showed n-type behavior, while under Sc substitution the system switched to p-type behavior. A maximum Seebeck coefficient of +230 μV/K (at 350 K) was obtained for NiTi0.26Sc0.04Zr0.35Hf0.35Sn, which is one of the highest values for p-type thermoelectric compounds based on Heusler alloys up to now. HAXPES valence band measurement show massive in gap states for the parent compounds NiTiSn, CoTiSb and NiTi0.3Zr0.35Hf0.35Sn. This proves that the electronic states close to the Fermi energy play a key role for the behavior of the transport properties. Furthermore, the electronic structure of the gapless Heusler compounds PtYSb, PtLaBi and PtLuSb were investigated by bulk sensitive HAXPES. The linear behavior of the spectra close to εF proves the bulk origin of Dirac-cone type density of states. Furthermore, a systematic study on the optical and transport properties of PtYSb is presented. The compound exhibits promising thermoelectric properties with a high figure of merit (ZT = 0.2) and a Hall mobility μh of 300 cm2/Vs at 350 K.rnThe last part of this thesis describes the linear dichroism in angular-resolved photoemission from the valence band of NiTi0.9Sc0.1Sn and NiMnSb. High resolution photoelectron spectroscopy was performed with an excitation energy of hν = 7.938 keV. The linear polarization of the photons was changed using an in-vacuum diamond phase retarder. Noticeable linear dichroism is found in the valence bands and this allows for a symmetry analysis of the contributing states. The differences in the spectra are found to be caused by symmetry dependent angular asymmetry parameters, and these occur even in polycrystalline samples without preferential crystallographic orientation.rnIn summary, Heusler compounds with 1:1:1 and 2:1:1 stoichiometry were synthesized and examined by chemical and physical methods. Overall, this thesis shows that the combination of first-principle calculations, transport measurements and high resolution high energy photoelectron spectroscopy analysis is a very powerful tool for the design and development of new materials for a wide range of applications from spintronic applications to thermoelectric applications.rn

Einzelmolekülspektroskopische Untersuchung von Rylenfarbstoffen zur elektronischen Wechselwirkung in multichromophoren Systemen und zur thermischen Besetzung molekularer Schwingungszustände

Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abstandsabhängigkeit des elektronischen Kopplungsverhaltens für eine homologe Reihe von Perylendiimid-Dimeren (PDI-(Ph)x-PDI, x=0-3) mithilfe der Einzelmolekülspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht. Während für große Abstände überwiegend „schwache“ Kopplung dominierte, wurde für den kleinsten Abstand „starke“ Kopplung gefunden. Im Gegensatz dazu zeigte das p-Phenylen-verbrückte Dimer (x=1) in Abhängigkeit vom untersuchten Molekül ein für beide Grenzfälle typisches Verhalten. Hier entscheidet die Größe der Kopplungsstärke im Vergleich zum statischen Energieunterschied, welcher Kopplungsmechanismus vorliegt. Die homologe Reihe ermöglichte zusätzlich die quantitative Untersuchung der Abstandsabhängigkeit der elektronischen Kopplungsstärke im Grenzfall „schwacher“ Kopplung. Sie konnte direkt aus der zugrunde liegenden Energietransferdynamik ermittelt werden. Der Vergleich mit quantenchemisch berechneten Werten lieferte eine gute Übereinstimmung. Die Abweichung betrug lediglich 20%.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde die thermische Besetzung der Schwingungszustände einzelner Terrylen-Moleküle untersucht. Im elektronischen Grundzustand konnte sie mithilfe von anti-Stokes-Fluoreszenz infolge von „Hot Band“ Absorption nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde Fluoreszenz aus höheren Schwingungszuständen des elektronisch angeregten Zustandes gefunden, die auf „Hot Band“ Emission infolge von thermischer Besetzung zurückgeführt werden konnte. Durch die Kombination von Emissions- und Anregungsspektroskopie konnte die Temperaturabhängigkeit beider Prozesse im Temperaturbereich von 209-311 K untersucht werden. Sie folgt der Boltzmann-Statistik, was eine Temperaturmessung mit einzelnen Molekülen ermöglicht. rn

Charge generation and recombination in solid-state dye-sensitized solar cells

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.

A feasibility study for the provision of electronic healthcare tools and services in areas of Greece, Cyprus and Italy

Background Through this paper, we present the initial steps for the creation of an integrated platform for the provision of a series of eHealth tools and services to both citizens and travelers in isolated areas of thesoutheast Mediterranean, and on board ships travelling across it. The platform was created through an INTERREG IIIB ARCHIMED project called INTERMED. Methods The support of primary healthcare, home care and the continuous education of physicians are the three major issues that the proposed platform is trying to facilitate. The proposed system is based on state-of-the-art telemedicine systems and is able to provide the following healthcare services: i) Telecollaboration and teleconsultation services between remotely located healthcare providers, ii) telemedicine services in emergencies, iii) home telecare services for "at risk" citizens such as the elderly and patients with chronic diseases, and iv) eLearning services for the continuous training through seminars of both healthcare personnel (physicians, nurses etc) and persons supporting "at risk" citizens. These systems support data transmission over simple phone lines, internet connections, integrated services digital network/digital subscriber lines, satellite links, mobile networks (GPRS/3G), and wireless local area networks. The data corresponds, among others, to voice, vital biosignals, still medical images, video, and data used by eLearning applications. The proposed platform comprises several systems, each supporting different services. These were integrated using a common data storage and exchange scheme in order to achieve system interoperability in terms of software, language and national characteristics. Results The platform has been installed and evaluated in different rural and urban sites in Greece, Cyprus and Italy. The evaluation was mainly related to technical issues and user satisfaction. The selected sites are, among others, rural health centers, ambulances, homes of "at-risk" citizens, and a ferry. Conclusions The results proved the functionality and utilization of the platform in various rural places in Greece, Cyprus and Italy. However, further actions are needed to enable the local healthcare systems and the different population groups to be familiarized with, and use in their everyday lives, mature technological solutions for the provision of healthcare services.

Development of a model-based transient calibration process for diesel engine electronic control module tables – Part 1: data requirements, processing, and analysis

This is the first part of a study investigating a model-based transient calibration process for diesel engines. The motivation is to populate hundreds of parameters (which can be calibrated) in a methodical and optimum manner by using model-based optimization in conjunction with the manual process so that, relative to the manual process used by itself, a significant improvement in transient emissions and fuel consumption and a sizable reduction in calibration time and test cell requirements is achieved. Empirical transient modelling and optimization has been addressed in the second part of this work, while the required data for model training and generalization are the focus of the current work. Transient and steady-state data from a turbocharged multicylinder diesel engine have been examined from a model training perspective. A single-cylinder engine with external air-handling has been used to expand the steady-state data to encompass transient parameter space. Based on comparative model performance and differences in the non-parametric space, primarily driven by a high engine difference between exhaust and intake manifold pressures (ΔP) during transients, it has been recommended that transient emission models should be trained with transient training data. It has been shown that electronic control module (ECM) estimates of transient charge flow and the exhaust gas recirculation (EGR) fraction cannot be accurate at the high engine ΔP frequently encountered during transient operation, and that such estimates do not account for cylinder-to-cylinder variation. The effects of high engine ΔP must therefore be incorporated empirically by using transient data generated from a spectrum of transient calibrations. Specific recommendations on how to choose such calibrations, how many data to acquire, and how to specify transient segments for data acquisition have been made. Methods to process transient data to account for transport delays and sensor lags have been developed. The processed data have then been visualized using statistical means to understand transient emission formation. Two modes of transient opacity formation have been observed and described. The first mode is driven by high engine ΔP and low fresh air flowrates, while the second mode is driven by high engine ΔP and high EGR flowrates. The EGR fraction is inaccurately estimated at both modes, while EGR distribution has been shown to be present but unaccounted for by the ECM. The two modes and associated phenomena are essential to understanding why transient emission models are calibration dependent and furthermore how to choose training data that will result in good model generalization.

Development of a model-based transient calibration process for diesel engine electronic control module tables – Part 2: modelling and optimization

This is the second part of a study investigating a model-based transient calibration process for diesel engines. The first part addressed the data requirements and data processing required for empirical transient emission and torque models. The current work focuses on modelling and optimization. The unexpected result of this investigation is that when trained on transient data, simple regression models perform better than more powerful methods such as neural networks or localized regression. This result has been attributed to extrapolation over data that have estimated rather than measured transient air-handling parameters. The challenges of detecting and preventing extrapolation using statistical methods that work well with steady-state data have been explained. The concept of constraining the distribution of statistical leverage relative to the distribution of the starting solution to prevent extrapolation during the optimization process has been proposed and demonstrated. Separate from the issue of extrapolation is preventing the search from being quasi-static. Second-order linear dynamic constraint models have been proposed to prevent the search from returning solutions that are feasible if each point were run at steady state, but which are unrealistic in a transient sense. Dynamic constraint models translate commanded parameters to actually achieved parameters that then feed into the transient emission and torque models. Combined model inaccuracies have been used to adjust the optimized solutions. To frame the optimization problem within reasonable dimensionality, the coefficients of commanded surfaces that approximate engine tables are adjusted during search iterations, each of which involves simulating the entire transient cycle. The resulting strategy, different from the corresponding manual calibration strategy and resulting in lower emissions and efficiency, is intended to improve rather than replace the manual calibration process.

Evidence for Long-lived Excited States of CnH22+ Carbodications

The energetics, structures, stabilities and reactivities of[CnH2]2+ ions have been investigated using computational methods and experimental mass spectrometric techniques. Spontaneous decompositions of [CnH2]2+ into [CnH]+ + H+ products, observed for ions with odd-n values, have been explained by invoking the formation of excited triplet states. Even-n [CnH]+ ions possess triplet ground states with low-lying excited states, whereas odd-n ions have triplet states with energies several eV above ground singlet states. Radiationless transitions of vibrationally excited long-lived triplet state ions into singlet state continua are suggested as possible mechanisms for spontaneous deprotonation processes of odd-n [CnH2]2+ ions. Evidence for these long-lived excited states has been obtained in bimolecular single electron transfer reactions.

A New Crystalline LiPON Electrolyte: Synthesis, Properties, and Electronic Structure

The new crystalline compound, Li2PO2N, was synthesized using high temperature solid state methods starting with a stoichiometric mixture of Li2O, P2O5, and P3N5. Its crystal structure was determined ab initio from powder X-ray diffraction. The compound crystallizes in the orthorhombic space group Cmc2(1) (# 36) with lattice constants a = 9.0692(4) angstrom, b = 53999(2) angstrom, and c = 4.6856(2) angstrom. The crystal structure of SD-Li2PO2N consists of parallel arrangements of anionic chains formed of corner sharing (PO2N2) tetrahedra. The chains are held together by Li+ cations. The structure of the synthesized material is similar to that predicted by Du and Holzwarth on the basis of first principles calculations (Phys. Rev. B 81,184106 (2010)). The compound is chemically and structurally stable in air up to 600 degrees C and in vacuum up to 1050 degrees C. The Arrhenius activation energy of SD-Li2PO2N in pressed pellet form was determined from electrochemical impedance spectroscopy measurements to be 0.6 eV, comparable to that of the glassy electrolyte LiPON developed at Oak Ridge National Laboratory. The minimum activation energies for Li ion vacancy and interstitial migrations are computed to be 0.4 eV and 0.8 eV, respectively. First principles calculations estimate the band gap of SD-Li2PO2N to be larger than 6 eV. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Intermolecular Clamping by Hydrogen Bonds: 2-Pyridone center dot NH3

A combined spectroscopic and ab initio theoretical study of the doubly hydrogen-bonded complex of 2-pyridone (2PY) with NH3 has been performed. The S-1 <- S-0 spectrum extends up to approximate to 1200 cm(-1) above the 0(0)(0) band, close to twice the range observed for 2PY. The S-1 state nonradiative decay for vibrations above approximate to 300 cm(-1) in the NH3 complex is dramatically slowed down relative to bare 2PY. Also, the Delta v=2,4,... overtone bands of the v(1)' and v(2)' out-of-plane vibrations that dominate the low-energy spectral region of 2PY are much weaker or missing for 2PY center dot NH3, which implies that the bridging (2PY)NH center dot center dot center dot NH3 and H2NH center dot center dot center dot O=C H-bonds clamp the 2PY at a planar geometry in the S-1 state. The mass-resolved UV vibronic spectra of jet-cooled 2PY center dot NH3 and its H/D mixed isotopomers are measured using two-color resonant two-photon ionization spectroscopy. The S-0 and S-1 equilibrium structures and normal-mode frequencies are calculated by density functional (B3LYP) and correlated ab initio methods (MP2 and approximate second-order coupled-cluster, CC2). The S-1 <- S-0 vibronic assignments are based on configuration interaction singles (CIS) and CC2 calculations. A doubly H-bonded bridged structure of C-S symmetry is predicted, in agreement with that of Held and Pratt [J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 9718]. While the B3LYP and MP2 calculated rotational constants are in very good agreement with experiment, the calculated H2NH center dot center dot center dot O=C H-bond distance is approximate to 0.7 angstrom shorter than that derived by Held and Pratt. On the other hand, this underlines their observation that ammonia can act as a strong H-bond donor when built into an H-bonded bridge. The CC2 calculations predict the H2NH center dot center dot center dot O distance to increase by 0.2 angstrom upon S-1 <- S-0 electronic excitation, while the (2PY)NH center dot center dot center dot NH3 H-bond remains nearly unchanged. Thus, the expansion of the doubly H-bonded bridge in the excited state is asymmetric and almost wholly due to the weakening of the interaction of ammonia with the keto acceptor group.

N-H center dot center dot center dot pi hydrogen-bonding and large-amplitude tipping vibrations in jet-cooled pyrrole-benzene

The N-H center dot center dot center dot pi hydrogen bond is an important intermolecular interaction in many biological systems. We have investigated the infrared (IR) and ultraviolet (UV) spectra of the supersonic-jet cooled complex of pyrrole with benzene and benzene-d(6) (Pyr center dot Bz, Pyr center dot Bz-d(6)). DFT-D density functional, SCS-MP2 and SCS-CC2 calculations predict a T-shaped and (almost) C(s) symmetric structure with an N-H center dot center dot center dot pi hydrogen bond to the benzene ring. The pyrrole is tipped by omega(S(0)) = +/- 13 degrees relative to the surface normal of Bz. The N center dot center dot center dot ring distance is 3.13 angstrom. In the S(1) excited state, SCS-CC2 calculations predict an increased tipping angle omega(S(1)) = +/- 21 degrees. The IR depletion spectra support the T-shaped geometry: The NH stretch is redshifted by -59 cm(-1), relative to the "free" NH stretch of pyrrole at 3531 cm(-1), indicating a moderately strong N-H center dot center dot center dot pi interaction. The interaction is weaker than in the (Pyr)(2) dimer, where the NH donor shift is -87 cm(-1) [Dauster et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 2827]. The IR C-H stretch frequencies and intensities of the Bz subunit are very similar to those of the acceptor in the (Bz)(2) dimer, confirming that Bz acts as the acceptor. While the S(1) <- S(0) electronic origin of Bz is forbidden and is not observable in the gas-phase, the UV spectrum of Pyr center dot Bz in the same region exhibits a weak 0(0)(0) band that is red-shifted by 58 cm(-1) relative to that of Bz (38 086 cm(-1)). The origin appears due to symmetry-breaking of the p-electron system of Bz by the asymmetric pyrrole NH center dot center dot center dot pi hydrogen bond. This contrasts with (Bz)(2), which does not exhibit a 0(0)(0) band. The Bz moiety in Pyr center dot Bz exhibits a 6a(0)(1) band at 0(0)(0) + 518 cm(-1) that is about 20x more intense than the origin band. The symmetry breaking by the NH center dot center dot center dot pi hydrogen bond splits the degeneracy of the v(6)(e(2g)) vibration, giving rise to 6a' and 6b' sub-bands that are spaced by similar to 6 cm(-1). Both the 0(0)(0) and 6(0)(1) bands of Pyr center dot Bz carry a progression in the low-frequency (10 cm(-1)) excited-state tipping vibration omega', in agreement with the change of the omega tipping angle predicted by SCS-MP2 and SCS-CC2 calculations.