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.

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Structure and thermodynamics of H3O+(H2O)8 clusters: A combined molecular dynamics and quantum mechanics approach

We have studied the structure and stability of (H3O+)(H2O)8 clusters using a combination of molecular dynamics sampling and high-level ab initio calculations. 20 distinct oxygen frameworks are found within 2 kcal/mol of the electronic or standard Gibbs free energy minimum. The impact of quantum zero-point vibrational corrections on the relative stability of these isomers is quite significant. The box-like isomers are favored in terms of electronic energy, but with the inclusion of zero-point vibrational corrections and entropic effects tree-like isomers are favored at higher temperatures. Under conditions from 0 to 298.15 K, the global minimum is predicted to be a tree-like structure with one dangling singly coordinated water molecule. Above 298.15 K, higher entropy tree-like isomers with two or more singly coordinated water molecules are favored. These assignments are generally consistent with experimental IR spectra of (H3O+)(H2O)8 obtained at 150 K.

Excitonic Splitting, Delocalization, and Vibronic Quenching in the Benzonitrile Dimer

The excitonic S1/S2 state splitting and the localization/delocalization of the S1 and S2 electronic states are investigated in the benzonitrile dimer (BN)2 and its 13C and d5 isotopomers by mass-resolved two-color resonant two-photon ionization spectroscopy in a supersonic jet, complemented by calculations. The doubly hydrogen-bonded (BN-h5)2 and (BN-d5)2 dimers are C2h symmetric with equivalent BN moieties. Only the S0 → S2 electronic origin is observed, while the S0 → S1 excitonic component is electric-dipole forbidden. A single 12C/13C or 5-fold h5/d5 isotopic substitution reduce the dimer symmetry to Cs, so that the heteroisotopic dimers (BN)2-(h5 – h513C), (BN)2-(h5 – d5), and (BN)2-(h5 – h513C) exhibit both S0 → S1 and S0 → S2 origins. Isotope-dependent contributions Δiso to the excitonic splittings arise from the changes of the BN monomer zero-point vibrational energies; these range from Δiso(12C/13C) = 3.3 cm–1 to Δiso(h5/d5) = 155.6 cm–1. The analysis of the experimental S1/S2 splittings of six different isotopomeric dimers yields the S1/S2 exciton splitting Δexc = 2.1 ± 0.1 cm–1. Since Δiso(h5/d5) ≫ Δexc and Δiso(12C/13C) > Δexc, complete and near-complete exciton localization occurs upon 12C/13C and h5/d5 substitutions, respectively, as diagnosed by the relative S0 → S1 and S0 → S2 origin band intensities. The S1/S2 electronic energy gap of (BN)2 calculated by the spin-component scaled approximate second-order coupled-cluster (SCS-CC2) method is Δelcalc = 10 cm–1. This electronic splitting is reduced by the vibronic quenching factor Γ. The vibronically quenched exciton splitting Δelcalc·Γ = Δvibroncalc = 2.13 cm–1 is in excellent agreement with the observed splitting Δexc = 2.1 cm–1. The excitonic splittings can be converted to semiclassical exciton hopping times; the shortest hopping time is 8 ps for the homodimer (BN-h5)2, the longest is 600 ps for the (BN)2(h5 – d5) heterodimer.

Research on intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization under concentrated illumination

Abstract This work is a contribution to the research and development of the intermediate band solar cell (IBSC), a high efficiency photovoltaic concept that features the advantages of both low and high bandgap solar cells. The resemblance with a low bandgap solar cell comes from the fact that the IBSC hosts an electronic energy band -the intermediate band (IB)- within the semiconductor bandgap. This IB allows the collection of sub-bandgap energy photons by means of two-step photon absorption processes, from the valence band (VB) to the IB and from there to the conduction band (CB). The exploitation of these low energy photons implies a more efficient use of the solar spectrum. The resemblance of the IBSC with a high bandgap solar cell is related to the preservation of the voltage: the open-circuit voltage (VOC) of an IBSC is not limited by any of the sub-bandgaps (involving the IB), but only by the fundamental bandgap (defined from the VB to the CB). Nevertheless, the presence of the IB allows new paths for electronic recombination and the performance of the IBSC is degraded at 1 sun operation conditions. A theoretical argument is presented regarding the need for the use of concentrated illumination in order to circumvent the degradation of the voltage derived from the increase in the recombi¬nation. This theory is supported by the experimental verification carried out with our novel characterization technique consisting of the acquisition of photogenerated current (IL)-VOC pairs under low temperature and concentrated light. Besides, at this stage of the IBSC research, several new IB materials are being engineered and our novel character¬ization tool can be very useful to provide feedback on their capability to perform as real IBSCs, verifying or disregarding the fulfillment of the “voltage preservation” principle. An analytical model has also been developed to assess the potential of quantum-dot (QD)-IBSCs. It is based on the calculation of band alignment of III-V alloyed heterojunc-tions, the estimation of the confined energy levels in a QD and the calculation of the de¬tailed balance efficiency. Several potentially useful QD materials have been identified, such as InAs/AlxGa1-xAs, InAs/GaxIn1-xP, InAs1-yNy/AlAsxSb1-x or InAs1-zNz/Alx[GayIn1-y]1-xP. Finally, a model for the analysis of the series resistance of a concentrator solar cell has also been developed to design and fabricate IBSCs adapted to 1,000 suns. Resumen Este trabajo contribuye a la investigación y al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un concepto fotovoltaico de alta eficiencia que auna las ventajas de una célula solar de bajo y de alto gap. La IBSC se parece a una célula solar de bajo gap (o banda prohibida) en que la IBSC alberga una banda de energía -la banda intermedia (IB)-en el seno de la banda prohibida. Esta IB permite colectar fotones de energía inferior a la banda prohibida por medio de procesos de absorción de fotones en dos pasos, de la banda de valencia (VB) a la IB y de allí a la banda de conducción (CB). El aprovechamiento de estos fotones de baja energía conlleva un empleo más eficiente del espectro solar. La semejanza antre la IBSC y una célula solar de alto gap está relacionada con la preservación del voltaje: la tensión de circuito abierto (Vbc) de una IBSC no está limitada por ninguna de las fracciones en las que la IB divide a la banda prohibida, sino que está únicamente limitada por el ancho de banda fundamental del semiconductor (definido entre VB y CB). No obstante, la presencia de la IB posibilita nuevos caminos de recombinación electrónica, lo cual degrada el rendimiento de la IBSC a 1 sol. Este trabajo argumenta de forma teórica la necesidad de emplear luz concentrada para evitar compensar el aumento de la recom¬binación de la IBSC y evitar la degradación del voltage. Lo anterior se ha verificado experimentalmente por medio de nuestra novedosa técnica de caracterización consistente en la adquisicin de pares de corriente fotogenerada (IL)-VOG en concentración y a baja temperatura. En esta etapa de la investigación, se están desarrollando nuevos materiales de IB y nuestra herramienta de caracterizacin está siendo empleada para realimentar el proceso de fabricación, comprobando si los materiales tienen capacidad para operar como verdaderas IBSCs por medio de la verificación del principio de preservación del voltaje. También se ha desarrollado un modelo analítico para evaluar el potencial de IBSCs de puntos cuánticos. Dicho modelo está basado en el cálculo del alineamiento de bandas de energía en heterouniones de aleaciones de materiales III-V, en la estimación de la energía de los niveles confinados en un QD y en el cálculo de la eficiencia de balance detallado. Este modelo ha permitido identificar varios materiales de QDs potencialmente útiles como InAs/AlxGai_xAs, InAs/GaxIni_xP, InAsi_yNy/AlAsxSbi_x ó InAsi_zNz/Alx[GayIni_y]i_xP. Finalmente, también se ha desarrollado un modelado teórico para el análisis de la resistencia serie de una célula solar de concentración. Gracias a dicho modelo se han diseñado y fabricado IBSCs adaptadas a 1.000 soles.

IBPOWER Project, Intermediate band materials and solar cells for photovoltaics with high efficiency and reduced cost

IBPOWER is a Project awarded under the 7th European Framework Programme that aims to advance research on intermediate band solar cells (IBSCs). These are solar cells conceived to absorb below bandgap energy photons by means of an electronic energy band that is located within the semiconductor bandgap, whilst producing photocurrent with output voltage still limited by the total semiconductor bandgap. IBPOWER employs two basic strategies for implementing the IBSC concept. The first is based on the use of quantum dots, the IB arising from the confined energy levels of the electrons in the dots. Quantum dots have led to devices that demonstrate the physical operation principles of the IB concept and have allowed identification of the problems to be solved to achieve actual high efficiencies. The second approach is based on the creation of bulk intermediate band materials by the insertion of an appropriate impurity into a bulk semiconductor. Under this approach it is expected that, when inserted at high densities, these impurities will find it difficult to capture electrons by producing a breathing mode and will cease behaving as non-radiative recombination centres. Towards this end the following systems are being investigated: a) Mn: In1-xGax N; b) transition metals in GaAs and c) thin films.

Estudio acústico de la sala 8 de los cines Kinépolis de Ciudad de la Imagen

Este proyecto consistira en la realization de un estudio aciistico sobre la sala 8 de los cines Kinepolis de Ciudad de la Imagen, que dispone de 408 butacas. Los cines Kinepolis es uno de los mayores complejos multisala de Europa. Cuenta con mas de 9.200 butacas en total distribuidas en 25 salas a las que se accede mediante dos grandes pasillos conectados por el hall. En 1998, ano de su apertura, el complejo recibio el Record Guinness a la sala cinematografica mas grande del mundo, que dispone de 996 butacas. El objetivo de este proyecto es conseguir caracterizar acusticamente una sala de cine a traves de la medicion de parametros acusticos de la sala y de un modelo virtual de la misma. Para llevar a cabo el proyecto, primero se van a realizar tanto una medicion geometrica como acustica de la sala mediante el sistema de medida DIRAC. Los resultados de estas mediciones nos serviran para construir y validar un modelo virtual de la sala real con el software de simulacion EASE. La medicion acustica se va a realizar con el sistema de medicion DIRAC. Este sistema nos dara information sobre una amplia variedad de parametros acusticos. En este proyecto no se va a trabajar con todos ellos, solo con los mas significativos. Estos se describen a continuacion en la introduccion teorica. La medicion geometrica nos va a servir para construir un modelo virtual que tenga las mismas dimensiones que la sala original. Esta medicion la realizaremos mediante un medidor laser y una cinta metrica. Una vez construido el modelo virtual, se procedera a su validacion. Este proceso se realiza ajustando el tiempo de reverberacion del modelo mediante la introduccion de distintos materiales acusticos en las superficies del mismo, de manera que, variando la absorcion de la sala, el tiempo de reverberacion promedio del modelo se asemeje lo mas posible al medido en la sala real. Este proceso tiene como objetivo comprobar que el modelo virtual tiene un comportamiento acustico similar al de la sala real. Es necesario validar adecuadamente el modelo para que las comparaciones y conclusiones sean fiables. Por ultimo, tras la simulacion acustica del modelo, se compararan los resultados simulados con los medidos en la sala. En este proceso se contrastaran algunos de los parametros que guardan relation con el tiempo de reverberacion. De esta manera se verificara si el tiempo de reverberacion es o no un parametro acustico fiable para la validacion de un modelo virtual de una sala de cine. Anteriormente se han realizado proyectos iguales de otras salas de diferente tamano de Kinepolis. El objetivo de realizar el mismo estudio en distintas salas, es comprobar si el tamano de la sala influye en la validacion de los modelos virtuales mediante el tiempo de reverberacion. ABSTRACT. This Project consists on the development of an acoustic research of the movie theater 8 of the Kinepolis complex in Ciudad de la Imagen, Madrid. This room has 408 spots. Kinepolis is one of the biggest multiplex complexes in Europe. It has 9,200 locations disposed in 25 rooms. There are two large corridors which give access to all of theaters. In the middle of the structure, there is the main hall that connects these corridors. In 1998, at the time when the complex was open, it was awarded with the Record Guinness for the biggest theater in the world, which has 996 locations. The target of this project is to successfully characterize the acoustics of a movie theater through reverberation time and a virtual model. In order to reach this goal, in the first place, we are going to perform both, an acoustic and a geometric measurement of the room using DIRAC measurement system. The results of these measures will allow us to build and validate a virtual model of the room, using the simulation software EASE. We are going to use the DIRAC system in order to accomplish the acoustic measure. This operation gives us a huge variety of acoustic parameters. Not all of these are going to be used for this research, only the most significant ones. These are described in the theoretical introduction. The geometric measure is essential to help us to build the virtual model, because the model has to be exactly equal as the real room. This measurement will be performed with an electronic distance meter and a measuring tape. Once the virtual model is finished, it will be proved. This validation process will be realized by adjusting the reverberation time in the model. We will change the walls materials, therefore, the overall absorption of the room will change. We want the model reverberation time resemble to the real one. This practice is going to ensure that the model acoustic performance is close to the real one. In addition, it has to be successfully validate of we want the future comparisons to be reliable. Finally, after the model virtual simulation, we will compare the simulated results with the measure in the room. In this process, we will compare not only the reverberation time, but others parameters that keep relation with the reverberation time. We will verify this way, if the reverberation time is or is not an appropriate acoustic parameter to validate a virtual model of a movie theater. There have been done others similar acoustic researches in different theaters with different sizes. The aim of performing similar researches in different rooms is to determine if the size of the room infers in the validation process.

Femtosecond dynamics of the forbidden carotenoid S1 state in light-harvesting complexes of purple bacteria observed after two-photon excitation

Time-resolved excited-state absorption intensities after direct two-photon excitation of the carotenoid S1 state are reported for light-harvesting complexes of purple bacteria. Direct excitation of the carotenoid S1 state enables the measurement of subsequent dynamics on a fs time scale without interference from higher excited states, such as the optically allowed S2 state or the recently discovered dark state situated between S1 and S2. The lifetimes of the carotenoid S1 states in the B800-B850 complex and B800-B820 complex of Rhodopseudomonas acidophila are 7 ± 0.5 ps and 6 ± 0.5 ps, respectively, and in the light-harvesting complex 2 of Rhodobacter sphaeroides ≈1.9 ± 0.5 ps. These results explain the differences in the carotenoid to bacteriochlorophyll energy transfer efficiency after S2 excitation. In Rps. acidophila the carotenoid S1 to bacteriochlorophyll energy transfer is found to be quite inefficient (φET1 <28%) whereas in Rb. sphaeroides this energy transfer is very efficient (φET1 ≈80%). The results are rationalized by calculations of the ensemble averaged time constants. We find that the Car S1 → B800 electronic energy transfer (EET) pathway (≈85%) dominates over Car S1 → B850 EET (≈15%) in Rb. sphaeroides, whereas in Rps. acidophila the Car S1 → B850 EET (≈60%) is more efficient than the Car S1 → B800 EET (≈40%). The individual electronic couplings for the Car S1 → BChl energy transfer are estimated to be approximately 5–26 cm−1. A major contribution to the difference between the energy transfer efficiencies can be explained by different Car S1 energy gaps in the two species.

The physics and chemistry of heavy fermions.

The heavy fermions are a subset of the f-electron intermetallic compounds straddling the magnetic/nonmagnetic boundary. Their low-temperature properties are characterized by an electronic energy scale of order 1-10 K. Among the low-temperature ground states observed in heavy fermion compounds are exotic superconductors and magnets, as well as unusual semiconductors. We review here the current experimental and theoretical understanding of these systems.

Towards Accurate and Efficient Description of Excited States

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Electrochemical anion recognition with ferrocene functionalised macrocycles

The syntheses and characterization of two new redox active cyclam ligands ferrocenylmethyl-(6-methyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradec-6-yl)-amine(L-3) and 1, 1'-ferrocenylmethyl-bis(6-methyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradec-6-yl)-amine (L-4) are reported. The compounds each possess a ferrocenyl group bearing one (L-3) or two (L-4) appended macrocycles linked by their exocyclic amino groups and the crystal structures of both compounds have been determined. Anion binding of L-3 and L-4 was investigated by electrochemical titrations where H-bonding to each macrocycle causing a shift in the Fc(+/0) redox potential was used as a reporter of guest binding. The Zn-II complex of L-3 has also been isolated and characterized structurally. These compounds were analysed for their capacity to electrochemically recognize anions in both aqueous and non-aqueous solution. We have found that L-3, L-4 and [ZnL3-](2+) sense Cl- and AcO- anions in MeCN-CH2Cl2, a function that is lost in aqueous solution.

The effect of circuit parasitics on resonant switched capacitor converters

Switched Capacitor (SC) converters have been used for several years in low-power, power electronic energy conversion systems. However, because of their attractive features such as low-weight and high-density energy conversion and with the emergence of new circuit topologies and SiC switching devices, these circuits have recently been proposed for higher power applications. The resonant switched capacitor topology is a good candidate for high-power due to its very low-switching loss, but circuit parasitic inductance and resistance can have a significant effect on the resonant frequency of each cell. This paper discusses the influence of these parasitics on the performance of the converter and proposes a method by which these parasitics can be estimated. Simulation results and measurements from a hardware prototype are used to validate the technique.

Estudo teórico de intermediários tetraédricos acidez / basicidade e estereosseletividade enzimáticos

The present work aimed first, the theoretical study of tetrahedral intermediate stability formed from carbonyl addition reactions using the second (MP2) and third (MP3) order Møller–Plesset perturbation theory. Linear correlations between electronic energy difference of reactions with Wiberg Indexes and C-O bond lengths were obtained, and was observed that the stability of adducts formed depends directly of electronic density involved between these atoms. The knowing of electronic parameters of these structures has an important hole due to the large use on reactions that in his course forms this tetrahedral intermediate. Employing the ONIOM (B3LYP:AMBER) methodology, was evaluated the stereoselectivity of a enzymatic reaction between CAL B enzyme and a long chain ester. In this study, were obtained the electronic energies of ground state and intermediate state of transesterification rate-determing step from two possible proquirals faces Re and Si. The objective was study the enantioselectivity of CAL B and rationalizes it using quantum theory of atoms in molecules (QTAIM). A theoretical study employing inorganic compounds was performed using ab initio CBS-QB3 method aiming to find a link between thermodynamic and equilibrium involving acids and bases. The results observed showed an excellent relationship between difference in Gibbs free energy, ΔG of acid dissociation reaction and ΔG of hydrolysis reaction of the corresponding conjugate base. It was also observed, a relationship between ΔG of hydrolysis reaction of conjugate acids and their corresponding atomic radius showing that stability plays an important role in hydrolysis reactions. The importance of solvation in acid/base behavior when compared to theoretical and experimental ΔG´s also was evaluated.

Novos protocolos teóricos utilizados nos estudos das ligações hidrogênio-hidrogênio, na estabilidade do tetraedrano, seus derivados e das reações de diels-alder e na quantificação da afinidade de fármacos

This thesis was performed in four chapters, at the theoretical level, focused mainly on electronic density. In the first chapter, we have applied an undergraduate minicourse of Diels-Alder reaction in Federal University of Rio Grande do Norte. By using computational chemistry tools students could build the knowledge by themselves and they could associate important aspects of physical-chemistry with Organic Chemistry. In the second chapter, we studied a new type of chemical bond between a pair of identical or similar hydrogen atoms that are close to electrical neutrality, known as hydrogen-hydrogen (H-H) bond. In this study performed with complexed alkanes, provides new and important information about their stability involving this type of interaction. We show that the H-H bond playing a secondary role in the stability of branched alkanes in comparison with linear or less branched isomers. In the third chapter, we study the electronic structure and the stability of tetrahedrane, substituted tetrahedranes and silicon and germanium parents, it was evaluated the substituent effect on the carbon cage in the tetrahedrane derivatives and the results indicate that stronger electron withdrawing groups (EWG) makes the tetrahedrane cage slightly unstable while slight EWG causes a greater instability in the tetrahedrane cage. We showed that the sigma aromaticity EWG and electron donating groups (EDG) results in decrease and increase, respectively, of NICS and D3BIA aromaticity indices. In addition, another factor can be utilized to explain the stability of tetra-tert-butyltetrahedrane as well as HH bond. GVB and ADMP were also used to explain the stability effect of the substituents bonded to the carbon of the tetrahedrane cage. In the fourth chapter, we performed a theoretical investigation of the inhibitory effect of the drug abiraterone (ABE), used in the prostate cancer treatment as CYP17 inhibitor, comparing the interaction energies and electron density of the ABE with the natural substrate, pregnenolone (PREG). Molecular dynamics and docking were used to obtain the CYP1ABE and CYP17-PREG complexes. From molecular dynamics was obtained that the ABE has higher diffusion trend water CYP17 binding site compared to the PREG. With the ONIOM (B3LYP:AMBER) method, we find that the interaction electronic energy of ABE is 21.38 kcal mol-1 more stable than PREG. The results obtained by QTAIM indicate that such stability is due a higher electronic density of interactions between ABE and CYP17