Temperature measurement of cold atoms using transient absorption of a resonant probe through an optical nanofibre

Optical nanofibres are ultrathin optical fibres with a waist diameter typically less than the wavelength of light being guided through them. Cold atoms can couple to the evanescent field of the nanofibre-guided modes and such systems are emerging as promising technologies for the development of atom-photon hybrid quantum devices. Atoms within the evanescent field region of an optical nanofibre can be probed by sending near or on-resonant light through the fibre; however, the probe light can detrimentally affect the properties of the atoms. In this paper, we report on the modification of the local temperature of laser-cooled 87Rb atoms in a magneto-optical trap centred around an optical nanofibre when near-resonant probe light propagates through it. A transient absorption technique has been used to measure the temperature of the affected atoms and temperature variations from 160 μk to 850 μk, for a probe power ranging from 0 to 50 nW, have been observed. This effect could have implications in relation to using optical nanofibres for probing and manipulating cold or ultracold atoms.

Mercury capture on a supported chlorocuprate(II) ionic liquid adsorbent studied using operando synchrotron X-ray absorption spectroscopy

Mercury scrubbing from gas streams using a supported 1-butyl-3-methylimidazolium chlorocuprate(II) ionic liquid ([C4mim]2[Cu2Cl6]) has been studied using operando EXAFS. Initial oxidative capture as [HgCl3]– anions was confirmed, this was then followed by the unanticipated generation of mercury(I) chloride through comproportionation with additional mercury from the gas stream. Combining these two mechanisms leads to net one electron oxidative extraction of mercury from the gas with increased potential capacity and efficiency for supported ionic liquid mercury scrubbers.

Analysis of major metallic elements in chilean wines by atomic absorption spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

X-Ray Absorption Spectroscopy and Computer Modelling Study of Nanocrystalline Binary Alkaline Earth Fluorides

Nanocrystalline samples of Ba1-xCaxF2 prepared by high-energy milling show an unusually high F-ion conductivity, which exhibit a maximum in the magnitude and a minimum in the activation energy at x = 0.5. Here, we report an X-ray absorption spectroscopy (XAS) at the Ca and Sr K edges and the Ba L-3 edge and a molecular dynamics (MD) simulation study of the pure and mixed fluorides. The XAS measurements on the pure binary fluorides, CaF2, SrF2 and BaF2 show that high-energy ball-milling produces very little amorphous material, in contrast to the results for ball milled oxides. XAS measurements of Ba1-xCaxF2 reveal that for 0 < x < 1 there is considerable disorder in the local environments of the cations which is highest for x = 0.5. Hence the maximum in the conductivity corresponds to the composition with the maximum level of local disorder. The MD calculations also show a highly disordered structure consistent with the XAS results and similarly showing maximum disorder at x = 0.5.

Analysis and control of transient spectra using time-dependent density functional theory.

215 p.

Diazafluoren-9-yliden als Bindungsmotiv für Metallfragmente in kreuzkonjugierten π-Systemen

In der vorliegenden Dissertation wurden kreuzkonjugierte organische Verbindungen basierend auf Diazafluorenmethyliden- sowie Dipyridylmethyliden-Bausteinen synthetisiert, die zum einen photoredoxaktive Metallfragmente komplexieren können und zum anderen erweiterte π-konjugierte Pfade auf der Grundlage von Alkineinheiten ermöglichen. Das kreuzkonjugierte Motiv wurde über die Kupplung von Alkineinheiten an halogenierte Methyliden-Einheiten, den so genannten Dibromolefinen, zugänglich gemacht. Zur Synthese von Dibromolefinen wurden verschiedene Methoden untersucht. Literaturbekannte Methoden wie die Wittig-Reaktion und ihre Modifikationen sowie die Corey-Fuchs-Reaktion konnten für die Diazafluoreneinheit nicht erfolgreich angewendet werden. Bei einer mikrowellenunterstützten Reaktion konnte sowohl ausgehend von Diazafluoren-9-on als auch von Di-2-pyridylketon eine Dibromolefinierung (55 % und 65 %) erreicht werden. Die Eignung der Mikrowellenstrahlung für Dibromolefinierungsreaktionen nach Corey und Fuchs wurde weiterhin an verschiedenen Aldehyden und Ketonen untersucht. In den meisten Fällen konnten gute bis sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Durch die erfolgreiche Synthese von Dibromolefinen über Mikrowellensynthese wurde die Realisierung von diversen π-konjugierten Systemen möglich. Dies erfolgte exemplarisch durch die Kupplung der Alkine 5-Ethinyl-2,2’-bipyridin, 1-(Ferrocenylethinyl)-4-(ethinyl)benzol, Tri(tolyl)propin sowie der TIPS- und TMS-Acetylene. Neben der Vielfalt an Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Dipyridyl- und Diazafluorenbausteinen zeigte sich zudem, dass sogar räumlich anspruchsvolle Verbindungen wie die geminale angeordneten voluminösen Tri(tolyl)propinyl-Substituenten an der Doppelbindung erfolgreich synthetisiert werden können. Die Koordinationseigenschaften der neu synthetisierten Verbindungen konnten durch Umsetzungen der Diazafluoren- und Dipyridylverbindungen mit PdCl2 und [RuCl2(bpy)2] erfolgreich gezeigt werden. Im Hinblick auf die Herstellung von Funktionsmaterialien eignen sich die Endiin-Strukturmotive aufgrund von diversen Variationsmöglichkeiten wie Koordination von Übergangsmetallen sowie Funktionalisierung der Peripherie gut. Dadurch können die elektronischen Eigenschaften wie die Absorption oder elektrochemische Potentiale der Verbindungen modifiziert werden. Die UV/Vis-Spektren der neu synthetisierten Verbindungen zeigen, dass Absorptionen in längerwelligen Bereichen durch Verlängerung des Konjugationspfades gesteuert werden können. Zudem lassen sich weitere photophysikalische Eigenschaften wie MC-, LC-, LMCT- oder MLCT-Übergänge durch Koordination von Metallen generieren. Die elektrochemischen Potentiale der Dipyridyl- und Diazafluorenbausteine konnten durch Anbindung von verschiedenen Substituenten beeinflusst werden. Es zeigte sich, dass sich die Reduktionswellen im Vergleich zu denen der Ketone zu niedrigeren Potentialen verschieben, wenn Alkine an die Dipyridylmethyliden- und Diazafluorenmethyliden-Bausteine geknüpft wurden. Zudem konnte beobachtet werden, dass die Signale nicht immer reversibel sind. Insbesondere die Dipyridylverbindungen zeichneten sich durch irreversible Reduktionswellen aus. Die Realisierung von π-konjugierten Systemen gelang auch mit cyclischen kohlenstoffbasierten Verbindungen. Über das separat synthetisierte 2,2’-Diethinyltolan konnte eine cyclische Verbindung, ein dehydroannulen-radialenisches System, erfolgreich hergestellt werden. Die Koordination von redoxaktiven Metallzentren wie [Ru(bpy)2] konnte für diese Verbindung ebenfalls erfolgreich gezeigt werden. Die elektronische Wechselwirkung zwischen dem Metallzentrum und dem dehydroannulenischen System könnte sowohl über theoretische Methoden (zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie) als auch experimentell wie z. B. über transiente Absorptionsspektroskopie untersucht werden. Diese zukünftig durchzuführenden Untersuchungen können Aufschluss über die Ladungstransferraten und -dauer geben. Im Hinblick auf die Realisierung von Modellverbindungen für molekulare Drähte wurden lineare Systeme basierend auf der Diazafluoreneinheit synthetisiert. Zur Synthese von derartigen Systemen war es zunächst notwendig, die Dibromolefine unsymmetrisch zu alkinylieren. Die unsymmetrische Substitution gestaltete sich als Herausforderung, da eine Einfachkupplung mit einem Acetylen nicht möglich war. In den meisten Fällen wurden zweifach substituierte Spezies mit den identischen Alkinen erhalten. Die besten Ausbeuten konnten durch die konsekutive Zugabe von TIPS-Acetylen und darauffolgend TMS-Acetylen in die Reaktionsmischung erhalten werden. Offenbar spielt der räumliche Anspruch des Erstsubstituenten in diesem Zusammenhang eine Rolle. Die selektive Entschützung der unterschiedlich silylierten Verbindungen erfolgte mit K2CO3 in MeOH/THF (1:1). Die oxidative Homokupplungsreaktion erfolgte ohne Isolierung der entschützten Spezies, da diese instabil ist und zur Polymerisation neigt. Aufgrund der Instabilität der entschützten Spezies sowie möglichen Nebenreaktionen waren die Ausbeuten sowohl bei der TIPS-geschützten Verbindung als auch bei der TTP-geschützten Verbindung gering. Versuche, lineare Systeme von dipyridylbasierten Verbindungen zu erhalten, schlugen fehl. Die π-konjugierten Systeme lassen aufgrund der effektiven Überlappung der beteiligten π-Orbitale hohe Ladungsträgermobilitäten vermuten. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen könnten mit Schwefelverbindungen die Anbindung an Elektroden zulassen, worüber die Leitfähigkeiten der Verbindungen gemessen werden könnten.

Quenching of excited states of red-pigment zinc protoporphyrin IX by hemin and natural reductors in dry-cured hams

Zinc protoporphyrin IX (ZnPP), the major red pigment in hams dry-cured without nitrates/nitrites, is an efficient photosensitizer, which upon absorption of visible light forms short-lived excited singlet state ((1)ZnPP*) and by intersystem crossing yields the very reactive triplet-excited state ((3)ZnPP*). Using nano-second laser flash photolysis and transient absorption spectroscopy NADH, ascorbic acid, hemin and dehydroascorbic acid were each found to be efficient quenchers of (3)ZnPP*. The deactivation followed, in homogeneous dimethyl sulfoxide (DMSO) or DMSO:water (1:1) solutions, second-order kinetics. The rate constant for ascorbic acid and NADH for reductive quenching of (3)ZnPP* was at 25 A degrees C found to be 7.5 +/- A 0.1 x 10(4) L mol(-1) s(-1) and 6.3 +/- A 0.1 x 10(5) L mol(-1) s(-1), respectively. The polyphenols catechin and quercetin had no effect on (3)ZnPP*. The quenching rate constant for oxidative deactivation of (3)ZnPP* by dehydroascorbic acid and hemin was at 25 A degrees C: 1.6 +/- A 0.1 x 10(5) L mol(-1) s(-1) and 1.47 +/- A 0.1 x 10(9) L mol(-1) s(-1), respectively. Oxidized glutathione did not act as an oxidative quencher for (3)ZnPP*. After photoexcitation of ZnPP to (1)ZnPP*, fluorescence was only found to be quenched by the presence of hemin in a diffusion-controlled reaction. The efficient deactivation of (3)ZnPP* and (1)ZnPP* by the metalloporphyrin (hemin) naturally present in meat may accordingly inherently protect meat proteins and lipids against ZnPP photosensitized oxidation.

Photoinduced hole-transfer in semiconducting polymer/low-bandgap cyanine dye blends: evidence for unit charge separation quantum yield

Power-conversion efficiencies of organic heterojunction solar cells can be increased by using semiconducting donor-acceptor materials with complementary absorption spectra extending to the near-infrared region. Here, we used continuous wave fluorescence and absorption, as well as nanosecond transient absorption spectroscopy to study the initial charge transfer step for blends of a donor poly(p-phenylenevinylene) derivative and low-band gap cyanine dyes serving as electron acceptors. Electron transfer is the dominant relaxation process after photoexcitation of the donor. Hole transfer after cyanine photoexcitation occurs with an efficiency close to unity up to dye concentrations of similar to 30 wt%. Cyanines present an efficient self-quenching mechanism of their fluorescence, and for higher dye loadings in the blend, or pure cyanine films, this process effectively reduces the hole transfer. Comparison between dye emission in an inert polystyrene matrix and the donor matrix allowed us to separate the influence of self-quenching and charge transfer mechanisms. Favorable photovoltaic bilayer performance, including high open-circuit voltages of similar to 1 V confirmed the results from optical experiments. The characteristics of solar cells using different dyes also highlighted the need for balanced adjustment of the energy levels and their offsets at the heterojunction when using low-bandgap materials, and accentuated important effects of interface interactions and solid-state packing on charge generation and transport.

Charge generation, transport and recombination in organic solar cells

This thesis presents a study of the charge generation, transport, and recombination processes in organic solar cells performed with time-resolved experimental techniques. Organic solar cells based on polymers can be solution-processed on large areas and thus promise to become an inexpensive source of renewable energy. Despite significant improvements of the power conversion efficiency over the last decade, the fundamental working principles of organic solar cells are still not fully understood. It is the aim of this thesis to clarify the role of different performance limiting processes in organic solar cells and to correlate them with the molecular structure of the studied materials, i.e. poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM). By combining time-of-flight charge transport measurements, transient absorption spectroscopy, a newly developed experimental technique called time delayed double pulse experiment and drift-diffusion simulations a comprehensive analysis of the working principles of P3HT:PCBM solar cells could be performed. It was found that the molecular structure of P3HT (i.e. the regioregularity) has a pronounced influence on the morphology of thin films of pristine P3HT and of blends of P3HT with PCBM. This morphology in turn affected the charge transport properties as well as the charge generation and recombination kinetics. Well-ordered regioregular P3HT was found to be characterized by a high charge carrier mobility, efficient charge generation and low but field-dependent (non-geminate) recombination. Importantly, the charge generation yield was found to be independent of temperature and applied electric field as opposed to the expectations of the Onsager-Braun model that is commonly applied to describe the temperature and field dependence of charge generation in organic solar cells. These properties resulted in a reasonably good power conversion efficiency. In contrast to this, amorphous regiorandom P3HT was found to show poor charge generation, transport and recombination properties that combine to a much lower power conversion efficiency.