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.

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.

Bio-inspired polymer-supported nitrido molybdenum(VI) complexes for ammonia synthesis − reactivity towards protons and electrons : EPR investigations on paramagnetic molybdenum(V) and copper(II) complexes

Die biologische Stickstofffixierung durch Molybdän-haltige Nitrogenasen sowie die Erforschung des zugrundeliegenden komplexen Mechanismus (N2-Aktivierung an Metall-Zentren, 6-fache Protonierung und Reduktion, N–N Bindungsspaltung unter Bildung von Ammoniak) ist von erheblichem Interesse. Insbesondere Molybdän-Komplexe wurden bereits erfolgreich als Modellverbindungen für die Untersuchung elementarer Einzelschritte der N2-Aktivierung eingesetzt. Durch die Verwendung von Triamidoamin-Liganden ist es Schrock et al. sogar gelungen mehrere Katalysezyklen zu durchlaufen und einen Mechanismus zu formulieren. Trotz der sterisch anspruchsvollen Substituenten in den Schrock-Komplexen ist die Umsatzrate dieses homogenen Katalysators, aufgrund Komplex-Deaktivierung infolge intermolekularer Reaktionen wie Dimerisierung und Disproportionierung, limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden einige dieser Herausforderungen angegangen und die aktiven Spezies auf einer Festphase immobilisiert, um intermolekulare Reaktionen durch räumliche Isolierung der Komplexe zu unterdrücken.rnEin Polymer-verankertes Analogon des Schrock Nitrido-Molybdän(VI)-Komplexes wurde auf einem neuen Reaktionsweg synthetisiert. Dieser beinhaltet nur einen einzigen Reaktionsschritt, um die funktionelle Gruppe „MoN“ einzuführen. Protonierung des immobilisierten Nitrido-Molybdän(VI)-Komplexes LMoVIN (L = Polymer-verankerter Triamidoamin-Ligand) mit 2,6-Lutidinium liefert den entsprechenden Imido-Molybdän(VI)-Komplex. Durch anschließende Ein-Elektronen-Reduktion mit Cobaltocen wird der Polymer-angebundene Imido-Molybdän(V)-Komplex erhalten, bewiesen durch EPR-Spektroskopie (g1,2,3 = 1.989, 1.929, 1.902). Durch die Immobilisierung und die effektive räumliche Separation der Reaktionszentren auf der Festphase werden bimolekulare Nebenreaktionen, die oft in homogenen Systemen auftreten, unterdrückt. Dies ermöglicht zum ersten Mal die Darstellung des Imido-Molybdän(V)-Intermediates des Schrock-Zyklus.rnEPR-Spektren des als Spin-Label eingeführten immobilisierten Nitrato-Kupfer(II)-Komplexes wurden unter verschiedenen Bedingungen (Lösungsmittel, Temperatur) aufgenommen, wobei sich eine starke Abhängigkeit zwischen der Zugänglichkeit und Reaktivität der immobilisierten Reaktionszentren und der Art des Lösungsmittels zeigte. Somit wurde die Reaktivität von LMoVIN gegenüber Protonen und Elektronen, welches zur Bildung von NH3 führt, unter Verwendung verschiedener Lösungsmittel untersucht und optimiert. Innerhalb des kugelförmigen Polymers verläuft die Protonierung und Reduktion von LMoVIN stufenweise. Aktive Zentren, die sich an der „äußeren Schale“ des Polymers befinden, sind gut zugänglich und reagieren schnell nach H+/e− Zugabe. Aktive Zentren im „Inneren des Polymers“ hingegen sind schlechter zugänglich und zeigen langsame diffusions-kontrollierte Reaktionen, wobei drei H+/e− Schritte gefolgt von einer Ligandenaustausch-Reaktion erforderlich sind, um NH3 freizusetzen: LMoVIN  LMoVNH  LMoIVNH2  LMoIIINH3 und anschließender Ligandenaustausch führt zur Freisetzung von NH3.rnIn einem weiteren Projekt wurde der Bis(ddpd)-Kupfer(II)-Komplex EPR-spektroskopisch in Hinblick auf Jahn−Teller-Verzerrung und -Dynamik untersucht. Dabei wurden die EPR-Spektren bei variabler Temperatur (70−293 K) aufgenommen. Im Festkörperspektrum bei T < 100 K erscheint der Kupfer(II)-Komplex als gestreckter Oktaeder, wohingegen das EPR-Spektrum bei höheren Temperaturen g-Werte aufzeigt, die einer pseudo-gestauchten oktaedrischen Kupfer(II)-Spezies zuzuordnen sind. Diese Tatsache wird einem intramolekularen dynamischen Jahn−Teller Phänomen zugeschrieben, welcher bei 100 K eingefroren wird.

Mössbauer and electron paramagnetic resonance studies of chloroperoxidase following mechanism-based inactivation with allylbenzene

We have used Mössbauer and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy to study a heme-N-alkylated derivative of chloroperoxidase (CPO) prepared by mechanism-based inactivation with allylbenzene and hydrogen peroxide. The freshly prepared inactivated enzyme (“green CPO”) displayed a nearly pure low-spin ferric EPR signal with g = 1.94, 2.15, 2.31. The Mössbauer spectrum of the same species recorded at 4.2 K showed magnetic hyperfine splittings, which could be simulated in terms of a spin Hamiltonian with a complete set of hyperfine parameters in the slow spin fluctuation limit. The EPR spectrum of green CPO was simulated using a three-term crystal field model including g-strain. The best-fit parameters implied a very strong octahedral field in which the three 2T2 levels of the (3d)5 configuration in green CPO were lowest in energy, followed by a quartet. In native CPO, the 6A1 states follow the 2T2 ground state doublet. The alkene-mediated inactivation of CPO is spontaneously reversible. Warming of a sample of green CPO to 22°C for increasing times before freezing revealed slow conversion of the novel EPR species to two further spin S = ½ ferric species. One of these species displayed g = 1.82, 2.25, 2.60 indistinguishable from native CPO. By subtracting spectral components due to native and green CPO, a third species with g = 1.86, 2.24, 2.50 could be generated. The EPR spectrum of this “quasi-native CPO,” which appears at intermediate times during the reactivation, was simulated using best-fit parameters similar to those used for native CPO.

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and Digital EPR Development

Rapid scan electron paramagnetic resonance (EPR) was developed in the Eaton laboratory at the University of Denver. Applications of rapid scan to wider spectra, such as for immobilized nitroxides, spin-labeled proteins, irradiated tooth and fingernail samples were demonstrated in this dissertation. The scan width has been increased from 55 G to 160 G. The signal to noise (S/N) improvement for slowly tumbling spin-labeled protein samples that is provided by rapid scan EPR will be highly advantageous for biophysical studies. With substantial improvement in S/N by rapid scan, the dose estimation for irradiated tooth enamels became more reliable than the traditional continuous wave (CW) EPR. An alternate approach of rapid scan, called field-stepped direct detection EPR, was developed to reconstruct wider EPR signals. A Mn2+ containing crystal was measured by field-stepped direct detection EPR, which had a spectrum more than 6000 G wide. Since the field-stepped direct detection extends the advantages of rapid scan to much wider scan ranges, this methodology has a great potential to replace the traditional CW EPR. With recent advances in digital electronics, a digital rapid scan spectrometer was built based on an arbitrary waveform generator (AWG), which can excite spins and detect EPR signals with a fully digital system. A near-baseband detection method was used to acquire the in-phase and quadrature signals in one physical channel. The signal was analyzed digitally to generate ideally orthogonal quadrature signals. A multiharmonic algorithm was developed that employed harmonics of the modulation frequencies acquired in the spectrometer transient mode. It was applied for signals with complicated lineshapes, and can simplify the selection of modulation amplitude. A digital saturation recovery system based on an AWG was built at X-band (9.6 GHz). To demonstrate performance of the system, the spin-lattice relaxation time of a fused quartz rod was measured at room temperature with fully digital excitation and detection.

Optical probing of spin fluctuations of a single paramagnetic Mn atom in a semiconductor quantum dot

We analyzed the photoluminescence intermittency generated by a single paramagnetic spin localized in an individual semiconductor quantum dot. The statistics of the photons emitted by the quantum dot reflect the quantum fluctuations of the localized spin interacting with the injected carriers. Photon correlation measurements, which are reported here, reveal unique signatures of these fluctuations. A phenomenological model is proposed to quantitatively describe these observations, allowing a measurement of the spin dynamics of an individual magnetic atom at zero magnetic field. These results demonstrate the existence of an efficient spin-relaxation channel arising from a spin exchange with individual carriers surrounding the quantum dot. A theoretical description of a spin-flip mechanism involving spin exchange with surrounding carriers gives relaxation times in good agreement with the measured dynamics.

Efficient -tensor determination and NH assignment of paramagnetic proteins

Anisotropic magnetic susceptibility tensors chi of paramagnetic metal ions are manifested in pseudocontact shifts, residual dipolar couplings, and other paramagnetic observables that present valuable long-range information for structure determinations of protein-ligand complexes. A program was developed for automatic determination of the chi-tensor anisotropy parameters and amide resonance assignments in proteins labeled with paramagnetic metal ions. The program requires knowledge of the three-dimensional structure of the protein, the backbone resonance assignments of the diamagnetic protein, and a pair of 2D N-15-HSQC or 3D HNCO spectra recorded with and without paramagnetic metal ion. It allows the determination of reliable chi-tensor anisotropy parameters from 2D spectra of uniformly N-15-labeled proteins of fairly high molecular weight. Examples are shown for the 185-residue N-terminal domain of the subunit epsilon from E. coli DNA polymerase III in complex with the subunit theta and La3+ in its diamagnetic and Dy3+, Tb3+, and Er3+ in its paramagnetic form.

XSophe, a computer simulation software suite for the analysis of electron paramagnetic resonance spectra

The XSophe computer simulation software suite consisting of a daemon, the XSophe interface and the computational program Sophe is a state of the art package for the simulation of electron paramagnetic resonance spectra. The Sophe program performs the computer simulation and includes a number of new technologies including; the SOPHE partition and interpolation schemes, a field segmentation algorithm, homotopy, parallelisation and spectral optimisation. The SOPHE partition and interpolation scheme along with a field segmentation algorithm greatly increases the speed of simulations for most systems. Multidimensional homotopy provides an efficient method for accurately tracing energy levels and hence tracing transitions in the presence of energy level anticrossings and looping transitions and allowing computer simulations in frequency space. Recent enhancements to Sophe include the generalised treatment of distributions of orientational parameters, termed the mosaic misorientation linewidth model and a faster more efficient algorithm for the calculation of resonant field positions and transition probabilities. For complex systems the parallelisation enables the simulation of these systems on a parallel computer and the optimisation algorithms in the suite provide the experimentalist with the possibility of finding the spin Hamiltonian parameters in a systematic manner rather than a trial-and-error process. The XSophe software suite has been used to simulate multifrequency EPR spectra (200 MHz to 6 00 GHz) from isolated spin systems (S > ~½) and coupled centres (Si, Sj _> I/2). Griffin, M.; Muys, A.; Noble, C.; Wang, D.; Eldershaw, C.; Gates, K.E.; Burrage, K.; Hanson, G.R."XSophe, a Computer Simulation Software Suite for the Analysis of Electron Paramagnetic Resonance Spectra", 1999, Mol. Phys. Rep., 26, 60-84.