Assessing the functional structure of molecular transporters by EPR spectroscopy

In this thesis, the self-assembled functional structure of a broad range of amphiphilic molecular transporters is studied. By employing paramagnetic probe molecules and ions, continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal information about the local structure of these materials from the perspective of incorporated guest molecules. First, the transport function of human serum albumin for fatty acids is in the focus. As suggested by the crystal structure, the anchor points for the fatty acids are distributed asymmetrically in the protein. In contrast to the crystallographic findings, a remarkably symmetric entry point distribution of the fatty acid binding channels is found, which may facilitate the uptake and release of the guest molecules. Further, the metal binding of 1,2,3-triazole modified star-shaped cholic acid oligomers is studied. These biomimetic molecules are able to include and transport molecules in solvents of different polarity. A pre-arrangement of the triazole groups induces a strong chelate-like binding and close contact between guest molecule and metal ion. In absence of a preordering, each triazole moiety acts as a single entity and the binding affinity for metal ions is strongly decreased. Hydrogels based on N-isopropylacrylamide phase separate from water above a certain temperature. The macroscopic thermal collapse of these hydrogels is utilized as a tool for dynamic nuclear polarization. It is shown that a radical-free hyperpolarized solution can be achieved with a spin-labeled gel as separable matrix. On the nanoscale, these hydrogels form static heterogeneities in both structure and function. Collapsed regions protect the spin probes from a chemical decay while open, water-swollen regions act as catalytic centers. Similarly, thermoresponsive dendronized polymers form structural heterogeneities, which are, however, highly dynamic. At the critical temperature, they trigger the aggregation of the polymer into mesoglobules. The dehydration of these aggregates is a molecularly controlled non-equilibrium process that is facilitated by a hydrophobic dendritic core. Further, a slow heating rate results in a kinetically entrapped non-equilibrium state due to the formation of an impermeable dense polymeric layer at the periphery of the mesoglobule.

Advances in hardware and molecular design of polarizing agents for dynamic nuclear polarization

Die Kernmagnetresonanz (NMR) ist eine vielseitige Technik, die auf spin-tragende Kerne angewiesen ist. Seit ihrer Entdeckung ist die Kernmagnetresonanz zu einem unverzichtbaren Werkzeug in unzähligen Anwendungen der Physik, Chemie, Biologie und Medizin geworden. Das größte Problem der NMR ist ihre geringe Sensitivtät auf Grund der sehr kleinen Energieaufspaltung bei Raumtemperatur. Für Protonenspins, die das größte magnetogyrische Verhältnis besitzen, ist der Polarisationsgrad selbst in den größten verfügbaren Magnetfeldern (24 T) nur ~7*10^(-5).rnDurch die geringe inhärente Polarisation ist folglich eine theoretische Sensitivitätssteigerung von mehr als 10^4 möglich. rnIn dieser Arbeit wurden verschiedene technische Aspekte und unterschiedliche Polarisationsagenzien für Dynamic Nuclear Polarization (DNP) untersucht.rnDie technische Entwicklung des mobilen Aufbaus umfasst die Verwendung eines neuen Halbach Magneten, die Konstruktion neuer Probenköpfe und den automatisierten Ablauf der Experimente mittels eines LabVIEW basierten Programms. Desweiteren wurden zwei neue Polarisationsagenzien mit besonderen Merkmalen für den Overhauser und den Tieftemperatur DNP getestet. Zusätzlich konnte die Durchführbarkeit von NMR Experimenten an Heterokernen (19F und 13C) im mobilen Aufbau bei 0,35 T gezeigt werden. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten der Polarisationstechnik DNP auf, wenn Heterokerne mit einem kleinen magnetogyrischen Verhältnis polarisiert werden müssen.rnDie Sensitivitätssteigerung sollte viele neue Anwendungen, speziell in der Medizin, ermöglichen.

Investigation of dangling bonds in al2o3 passivated si surface using electron paramagnetic resonance (epr)

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati sottili film di ossido di alluminio, Al2O3, (di spessore compreso tra 3-30 nm) su un substrato di FZ-Si drogato p. La deposizione è avvenuta mediante plasma ALD (Atomic Layer Depostion). La tecnica spettroscopica EPR (Electron Paramagnetic Resonance) è stata utilizzata per studiare l’interfaccia Si/Al2O3 con lo scopo di scoprire l’origine della formazione di densità di carica negativa Qf all’interfaccia: tale carica negativa induce una passivazione per effetto di campo ed è quindi la ragione per cui il dielettrico Al2O3 risulta essere un ottimo materiale passivante. Si è deciso di variare alcuni parametri, come lo spessore dello strato di Al2O3, lo spessore dello strato intermedio di ossido di silicio, depositato mediante ossidazione termica (dry thermal oxidation), e la superficie del substrato di silicio. Sono stati realizzati cinque differenti gruppi di campioni: per ciascuno di essi sono state impiegate varie tecniche di caratterizzazione, come la QSSPC (Quasi Steady State Photoconuctance) e la tecnica di spettroscopia ottica SE (spettroscopic ellipsometry). Per ogni gruppo sono stati riportati gli spettri EPR ottenuti ed i rispettivi fit, da cui è stato possibile risalire ai fattori giromagnetici di spin g, riportati in tabelle con le loro possibili attribuzioni. E’ stato dimostrato che la presenza di uno strato di ossido di silicio tra il substrato di silicio e lo strato di ossido di alluminio risulta essere fondamentale per la formazione di densità di carica negativa all’interfaccia: aumentando lo spessore dello strato di SiOx (nel range 1-30 nm) si assiste ad una diminuzione di carica negativa Qf. Analizzando gli spettri EPR, è stato possibile concludere che all’interfaccia Si/Al2O3 sono presenti difetti caratteristici dell’interfaccia Si/SiOx. Le nostre osservazioni, dunque, sono coerenti con la formazione di uno strato di ossido di silicio tra Si e Al2O3.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Untersuchung der Kernstruktur von 3 He mittels Polarisationsobservablen

Durch die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Polarisationsfreiheitsgradernin der quasi-elastischen Elektronstreuung an $^3mathrm{He}$ zurnmessen, bietet sich ein neuer experimenteller Zugang zu kleinen, aber rnwichtigen Partialwellenbeiträgen ($S'$, $D$-Welle) desrn$^3mathrm{He}$-Grundzustands. Dies ermöglicht nicht nur ein tieferesrnVerständnis des Drei-Körper-Systems, sondern bietet auch diernMöglichkeit, Erkenntnisse über die $^3mathrm{He}$-Struktur undrnDynamik zu erlangen. Mit Hilfe dieser Informationen lassen sich abrninitio Rechnungen testen, sowie Korrekturen berechnen, die für anderernExperimente (z.B. Messung von $G_{en}$) benötigt werden. rnrnModerne Faddeev-Rechnungen liefern nicht nur eine quantitativernBeschreibung des $^3mathrm{He}$-Grundzustands, sondern geben auchrneinen Einblick in die sogenannten spinabhängigenrnImpulsverteilungen. Eine gründliche experimentelle Untersuchung ist in rndiesem Zusammenhang nötig, um eine solide Basis für die Üperprüfungrnder theoretische Modelle zu liefern. EinrnDreifach-Polarisationsexperiment liefert hier zum einen wichtigernDaten, zum anderen kann damit untersucht werden, ob mit der Methoderndes glqq Deuteron-Tagginggrqq polarisiertes $^3mathrm{He}$ alsrneffektives polarisiertes Protonentarget verwendet werden kann. rnrnDas hier vorgestellte Experiment kombiniert erstmals Strahl- undrnTargetpolarisation sowie die Messung der Polarisation des auslaufendenrnProtons. Das Experiment wurde im Sommer 2007 an derrnDrei-Spektrometer-Anlage der A1-Kollaboration an MAMI rndurchgeführt. Dabei wurde mit einer Strahlenergie vonrn$E=855,mathrm{MeV}$ bei $q^2=-0,14,(mathrm{GeV/c})^2$rn$(omega=0,13,mathrm{GeV}$, $q=0,4,mathrm{GeV/c})$ gemessen.rnrnDie bestimmten Wirkungsquerschnitte, sowie die Strahl-Target- und diernDreifach-Asymmetrie werden mit theoretischen Modellrechnungen vonrnJ. Golak (Plane Wave Impuls Approximation PWIA, sowie ein Modell mitrnEndzustandswechselwirkung) verglichen. Zudem wurde das Modell von dernForest verwendet, welches den Wirkungsquerschnitt über eine gemessenernSpektralfunktion berechnet. Der Vergleich mit den Modellrechnungenrnzeigt, dass sowohl der Wirkungsquerschnitt, als auch die Doppel- undrnDreifach-Asymmetrie gut mit den theoretischen Rechnungenrnübereinstimmen. rnrnDie Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass polarisiertesrn$^3mathrm{He}$ nicht nur als polarisiertes Neutronentarget, sondernrndurch Nachweis des Deuterons ebenfalls als polarisiertesrnProtonentarget verwendet werden kann.

The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Structural analysis of the major lightharvesting complex II by electron paramagnetic resonance (EPR) : comparison between monomers and trimers

Der Haupt-Lichtsammenkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist das häufigsternMembranprotein der Welt und in die chloroplastidäre Thylakoidmembran integriert. DerrnLHCII kann als Modellsystem genutzt werden, um die Funktionsweise vonrnMembranproteinen besser zu verstehen, da 96 % seiner Struktur kristallografisch aufgelöstrnist und er in rekombinanter Form in vitro rückgefaltet werden kann. Hierbei entsteht einrnvoll funktionaler Protein-Pigment.Komplex, der nahezu identisch mit der in vivo Varianternist.rnElektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) Spektroskopie ist eine hoch sensitive undrnideal geeignete Methode, um die Strukturdynamik von Proteinen zu untersuchen. Hierzurnist eine ortsspezifische Markierung mit Spinsonden notwendig, die kovalent an Cysteinernbinden. Möglich wird dies, indem sorgfältig ausgewählte Aminosäuren gegen Cysteinerngetauscht werden, ohne dass die Funktionsweise des LHCII beeinträchtigt wird.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden die Stabilität des verwendeten Spinmarkers und diernProbenqualität verbessert, indem alle Schritte der Probenpräparation untersucht wurden.rnMithilfe dieser Erkenntnisse konnte sowohl die Gefahr einer Proteinaggregation als auchrnein Verlust des EPR Signals deutlich vermindert werden. In Kombination mit derrngleichzeitigen Etablierung des Q-Band EPR können nun deutlich geringer konzentrierternProben zuverlässig vermessen werden. Darüber hinaus wurde eine reproduzierbarernMethode entwickelt, um heterogene Trimere herzustellen. Diese bestehen aus einemrndoppelt markierten Monomer und zwei unmarkierten Monomeren und erlauben es, diernkristallografisch unvollständig aufgelöste N-terminale Domäne im monomeren undrntrimeren Assemblierungsgrad zu untersuchen. Die Ergebnisse konnten einerseits diernVermutung bestätigen, dass diese Domäne im Vergleich zum starren Proteinkern sehrrnflexibel ist und andererseits, dass sie in Monomeren noch mobiler ist als in Trimeren.rnZudem wurde die lumenale Schleifenregion bei unterschiedlichen pH Werten undrnvariierender Pigmentzusammensetzung untersucht, da dieser Bereich sehr kontroversrndiskutiert wird. Die Messergebnisse offenbarten, dass diese Region starre und flexiblerernSektionen aufweist. Während der pH Wert keinen Einfluss auf die Konformation hatte,rnzeigte sich, dass die Abwesenheit von Neoxanthin zu einer Änderung der Konformationrnführt. Weiterführende Analysen der strukturellen Dynamik des LHCII in einerrnLipidmembran konnten hingegen nicht durchgeführt werden, da dies eine gerichteternInsertion des rückgefalteten Proteins in Liposomen erfordert, was trotz intensiverrnVersuche nicht zum Erfolg führte.

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Varying spin state composition by the choice of capping ligand in a family of molecular chains: detailed analysis of magnetic properties of chromium(III) horseshoes

We report a detailed physical analysis on a family of isolated, antiferro-magnetically (AF) coupled, chromium(III) finite chains, of general formula (Cr(RCO(2))(2)F)(n) where the chain length n = 6 or 7. Additionally, the chains are capped with a selection of possible terminating ligands, including hfac (= 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane-2,4-dionate(1-)), acac (= pentane-2,4-dionate(1-)) or (F)(3). Measurements by inelastic neutron scattering (INS), magnetometery and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy have been used to study how the electronic properties are affected by n and capping ligand type. These comparisons allowed the subtle electronic effects the choice of capping ligand makes for odd member spin 3/2 ground state and even membered spin 0 ground state chains to be investigated. For this investigation full characterisation of physical properties have been performed with spin Hamiltonian parameterisation, including the determination of Heisenberg exchange coupling constants and single ion axial and rhombic anisotropy. We reveal how the quantum spin energy levels of odd or even membered chains can be modified by the type of capping ligand terminating the chain. Choice of capping ligands enables Cr-Cr exchange coupling to be adjusted by 0, 4 or 24%, relative to Cr-Cr exchange coupling within the body of the chain, by the substitution of hfac, acac or (F)(3) capping ligands to the ends of the chain, respectively. The manipulation of quantum spin levels via ligands which play no role in super-exchange, is of general interest to the practise of spin Hamilton modelling, where such second order effects are generally not considered of relevance to magnetic properties.

Electron transport in molecular systems

The remarkable advances in nanoscience and nanotechnology over the last two decades allow one to manipulate individuals atoms, molecules and nanostructures, make it possible to build devices with only a few nanometers, and enhance the nano-bio fusion in tackling biological and medical problems. It complies with the ever-increasing need for device miniaturization, from magnetic storage devices, electronic building blocks for computers, to chemical and biological sensors. Despite the continuing efforts based on conventional methods, they are likely to reach the fundamental limit of miniaturization in the next decade, when feature lengths shrink below 100 nm. On the one hand, quantum mechanical efforts of the underlying material structure dominate device characteristics. On the other hand, one faces the technical difficulty in fabricating uniform devices. This has posed a great challenge for both the scientific and the technical communities. The proposal of using a single or a few organic molecules in electronic devices has not only opened an alternative way of miniaturization in electronics, but also brought up brand-new concepts and physical working mechanisms in electronic devices. This thesis work stands as one of the efforts in understanding and building of electronic functional units at the molecular and atomic levels. We have explored the possibility of having molecules working in a wide spectrum of electronic devices, ranging from molecular wires, spin valves/switches, diodes, transistors, and sensors. More specifically, we have observed significant magnetoresistive effect in a spin-valve structure where the non-magnetic spacer sandwiched between two magnetic conducting materials is replaced by a self-assembled monolayer of organic molecules or a single molecule (like a carbon fullerene). The diode behavior in donor(D)-bridge(B)-acceptor(A) type of single molecules is then discussed and a unimolecular transistor is designed. Lastly, we have proposed and primarily tested the idea of using functionalized electrodes for rapid nanopore DNA sequencing. In these studies, the fundamental roles of molecules and molecule-electrode interfaces on quantum electron transport have been investigated based on first-principles calculations of the electronic structure. Both the intrinsic properties of molecules themselves and the detailed interfacial features are found to play critical roles in electron transport at the molecular scale. The flexibility and tailorability of the properties of molecules have opened great opportunity in a purpose-driven design of electronic devices from the bottom up. The results that we gained from this work have helped in understanding the underlying physics, developing the fundamental mechanism and providing guidance for future experimental efforts.

MULTISCALE EXAMINATION AND MODELING OF ELECTRON TRANSPORT IN NANOSCALE MATERIALS AND DEVICES

For half a century the integrated circuits (ICs) that make up the heart of electronic devices have been steadily improving by shrinking at an exponential rate. However, as the current crop of ICs get smaller and the insulating layers involved become thinner, electrons leak through due to quantum mechanical tunneling. This is one of several issues which will bring an end to this incredible streak of exponential improvement of this type of transistor device, after which future improvements will have to come from employing fundamentally different transistor architecture rather than fine tuning and miniaturizing the metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) in use today. Several new transistor designs, some designed and built here at Michigan Tech, involve electrons tunneling their way through arrays of nanoparticles. We use a multi-scale approach to model these devices and study their behavior. For investigating the tunneling characteristics of the individual junctions, we use a first-principles approach to model conduction between sub-nanometer gold particles. To estimate the change in energy due to the movement of individual electrons, we use the finite element method to calculate electrostatic capacitances. The kinetic Monte Carlo method allows us to use our knowledge of these details to simulate the dynamics of an entire device— sometimes consisting of hundreds of individual particles—and watch as a device ‘turns on’ and starts conducting an electric current. Scanning tunneling microscopy (STM) and the closely related scanning tunneling spectroscopy (STS) are a family of powerful experimental techniques that allow for the probing and imaging of surfaces and molecules at atomic resolution. However, interpretation of the results often requires comparison with theoretical and computational models. We have developed a new method for calculating STM topographs and STS spectra. This method combines an established method for approximating the geometric variation of the electronic density of states, with a modern method for calculating spin-dependent tunneling currents, offering a unique balance between accuracy and accessibility.

Measurement of Top Quark Polarization in Top-Antitop Events from Proton-Proton Collisions at s√=7 TeV Using the ATLAS Detector

his Letter presents measurements of the polarization of the top quark in top-antitop quark pair events, using 4.7  fb−1 of proton-proton collision data recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at s√=7  TeV. Final states containing one or two isolated leptons (electrons or muons) and jets are considered. Two measurements of αℓP, the product of the leptonic spin-analyzing power and the top quark polarization, are performed assuming that the polarization is introduced by either a CP conserving or a maximally CP violating production process. The measurements obtained, αℓPCPC=−0.035±0.014(stat)±0.037(syst) and αℓPCPV=0.020±0.016(stat)+0.013−0.017(syst), are in good agreement with the standard model prediction of negligible top quark polarization.

Materials properties from electron density distributions: Molecular magnetism and linear optical properties

The general goal of this thesis is correlating observable properties of organic and metal-organic materials with their ground-state electron density distribution. In a long-term view, we expect to develop empirical or semi-empirical approaches to predict materials properties from the electron density of their building blocks, thus allowing to rationally engineering molecular materials from their constituent subunits, such as their functional groups. In particular, we have focused on linear optical properties of naturally occurring amino acids and their organic and metal-organic derivatives, and on magnetic properties of metal-organic frameworks. For analysing the optical properties and the magnetic behaviour of the molecular or sub-molecular building blocks in materials, we mostly used the more traditional QTAIM partitioning scheme of the molecular or crystalline electron densities, however, we have also investigated a new approach, namely, X-ray Constrained Extremely Localized Molecular Orbitals (XC-ELMO), that can be used in future to extracted the electron densities of crystal subunits. With the purpose of rationally engineering linear optical materials, we have calculated atomic and functional group polarizabilities of amino acid molecules, their hydrogen-bonded aggregates and their metal-organic frameworks. This has enabled the identification of the most efficient functional groups, able to build-up larger electric susceptibilities in crystals, as well as the quantification of the role played by intermolecular interactions and coordinative bonds on modifying the polarizability of the isolated building blocks. Furthermore, we analysed the dependence of the polarizabilities on the one-electron basis set and the many-electron Hamiltonian. This is useful for selecting the most efficient level of theory to estimate susceptibilities of molecular-based materials. With the purpose of rationally design molecular magnetic materials, we have investigated the electron density distributions and the magnetism of two copper(II) pyrazine nitrate metal-organic polymers. High-resolution X-ray diffraction and DFT calculations were used to characterize the magnetic exchange pathways and to establish relationships between the electron densities and the exchange-coupling constants. Moreover, molecular orbital and spin-density analyses were employed to understand the role of different magnetic exchange mechanisms in determining the bulk magnetic behaviour of these materials. As anticipated, we have finally investigated a modified version of the X-ray constrained wavefunction technique, XC-ELMOs, that is not only a useful tool for determination and analysis of experimental electron densities, but also enables one to derive transferable molecular orbitals strictly localized on atoms, bonds or functional groups. In future, we expect to use XC-ELMOs to predict materials properties of large systems, currently challenging to calculate from first-principles, such as macromolecules or polymers. Here, we point out advantages, needs and pitfalls of the technique. This work fulfils, at least partially, the prerequisites to understand materials properties of organic and metal-organic materials from the perspective of the electron density distribution of their building blocks. Empirical or semi-empirical evaluation of optical or magnetic properties from a preconceived assembling of building blocks could be extremely important for rationally design new materials, a field where accurate but expensive first-principles calculations are generally not used. This research could impact the community in the fields of crystal engineering, supramolecular chemistry and, of course, electron density analysis.

Intercellular adhesion and membrane polarity in rat hepatocytes: Localization of cell -CAM 105 and other domain-specific membrane proteins {\it in situ\/} and {\it in vitro\/} by electron microscopy

Cell-CAM 105 has been identified as a cell adhesion molecule (CAM) based on the ability of monospecific and monovalent anti-cell-CAM 105 antibodies to inhibit the reaggregation of rat hepatocytes. Although one would expect to find CAMs concentrated in the lateral membrane domain where adhesive interactions predominate, immunofluorescence analysis of rat liver frozen sections revealed that cell-CAM 105 was present exclusively in the bile canalicular (BC) domain of the hepatocyte. To more precisely define the in situ localization of cell-CAM 105, immunoperoxidase and electron microscopy were used to analyze intact and mechanically dissociated fixed liver tissue. Results indicate that although cell-CAM 105 is apparently restricted to the BC domain in situ, it can be detected in the pericanalicular region of the lateral membranes when accessibility to lateral membranes is provided by mechanical dissociation. In contrast, when hepatocytes were labeled following incubation in vitro under conditions used during adhesion assays, cell-CAM 105 had redistributed to all areas of the plasma membrane. Immunofluorescence analysis of primary hepatocyte cultures revealed that cell-CAM 105 and two other BC proteins were localized in discrete domains reminscent of BC while cell-CAM 105 was also present in regions of intercellular contact. These results indicate that the distribution of cell-CAM 105 under the experimental conditions used for cell adhesion assays differs from that in situ and raises the possibility that its adhesive function may be modulated by its cell surface distribution. The implications of these and other findings are discussed with regard to a model for BC formation.^ Analysis of molecular events involved in BC formation would be accelerated if an in vitro model system were available. Although BC formation in culture has previously been observed, repolarization of cell-CAM 105 and two other domain-specific membrane proteins was incomplete. Since DMSO had been used by Isom et al. to maintain liver-specific gene expression in vitro, the effect of this differentiation system on the polarity of these membrane proteins was examined. Based on findings presented here, DMSO apparently prolongs the expression and facilitates polarization of hepatocyte membrane proteins in vitro. ^