Electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN films and nanostructures grown directly on Si(111)

Pronounced electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN layers and nanostructures directly grown on Si by plasma-assisted molecular beam epitaxy is demonstrated. The oxidation enhancement, probed with the ferro/ferricyanide redox couple increases with In content and proximity of nanostructure surfaces and sidewalls to the c-plane. This is attributed to the corresponding increase of the density of intrinsic positively charged surface donors promoting electron transfer. Strongest enhancement is for c-plane InGaN layers functionalized with InN quantum dots (QDs). These results explain the excellent performance of our InN/InGaN QD biosensors and water splitting electrodes for further boosting efficiency.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Contrast transfer function correction applied to cryo-electron tomography and sub-tomogram averaging

Cryo-electron tomography together with averaging of sub-tomograms containing identical particles can reveal the structure of proteins or protein complexes in their native environment. The resolution of this technique is limited by the contrast transfer function (CTF) of the microscope. The CTF is not routinely corrected in cryo-electron tomography because of difficulties including CTF detection, due to the low signal to noise ratio, and CTF correction, since images are characterised by a spatially variant CTF. Here we simulate the effects of the CTF on the resolution of the final reconstruction, before and after CTF correction, and consider the effect of errors and approximations in defocus determination. We show that errors in defocus determination are well tolerated when correcting a series of tomograms collected at a range of defocus values. We apply methods for determining the CTF parameters in low signal to noise images of tilted specimens, for monitoring defocus changes using observed magnification changes, and for correcting the CTF prior to reconstruction. Using bacteriophage PRDI as a test sample, we demonstrate that this approach gives an improvement in the structure obtained by sub-tomogram averaging from cryo-electron tomograms.

A novel investigation of vapor-phase charge-transfer complexes of halogens with n-donors by electron energy loss spectroscopy

Complexes of I2 with diethyl ether and triethylamine and of Br, with diethyl ether have been investigated in the vapor phase for the first time by employing electron energy loss spectroscopy. Besides the CT bands, blue-shifted vacuum-UV bands of the halogens have been assigned; the amine-I, system appears to exhibit two CT bands,associated with two different excited states of the complex.

Theoretical Studies on Coupled Electron and Proton Transfer in Cytochrome c Oxidase

The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed.

A measurement of inclusive quasi-elastic electron scattering cross sections at high momentum transfer

We have measured inclusive electron-scattering cross sections for targets of ^(4)He, C, Al, Fe, and Au, for kinematics spanning the quasi-elastic peak, with squared, four­ momentum transfers (q^2) between 0.23 and 2.89 (GeV/c)^2. Additional data were measured for Fe with q^2's up to 3.69 (GeV/c)^2 These cross sections were analyzed for the y-scaling behavior expected from a simple, impulse-approximation model, and are found to approach a scaling limit at the highest q^2's. The q^2 approach to scaling is compared with a calculation for infinite nuclear matter, and relationships between the scaling function and nucleon momentum distributions are discussed. Deviations from perfect scaling are used to set limits on possible changes in the size of nucleons inside the nucleus.

I. Proton magnetic resonance of polynucleotides and transfer RNA. II. Electron spin relaxation studies of manganese (II) complexes in acetonitrile

Part I. Proton Magnetic Resonance of Polynucleotides and Transfer RNA.

Proton magnetic resonance was used to follow the temperature dependent intramolecular stacking of the bases in the polynucleotides of adenine and cytosine. Analysis of the results on the basis of a two state stacked-unstacked model yielded values of -4.5 kcal/mole and -9.5 kcal/mole for the enthalpies of stacking in polyadenylic and polycytidylic acid, respectively.

The interaction of purine with these molecules was also studied by pmr. Analysis of these results and the comparison of the thermal unstacking of polynucleotides and short chain nucleotides indicates that the bases contained in stacks within the long chain poly nucleotides are, on the average, closer together than the bases contained in stacks in the short chain nucleotides.

Temperature and purine studies were also carried out with an aqueous solution of formylmethionine transfer ribonucleic acid. Comparison of these results with the results of similar experiments with the homopolynucleotides of adenine, cytosine and uracil indicate that the purine is probably intercalating into loop regions of the molecule.

The solvent denaturation of phenylalanine transfer ribonucleic acid was followed by pmr. In a solvent mixture containing 83 volume per cent dimethylsulf oxide and 17 per cent deuterium oxide, the tRNA molecule is rendered quite flexible. It is possible to resolve resonances of protons on the common bases and on certain modified bases.

Part II. Electron Spin Relaxation Studies of Manganese (II) Complexes in Acetonitrile.

The electron paramagnetic resonance spectra of three Mn⁺² complexes, [Mn(CH₃CN)₆]⁺², [MnCl₄]^-2, and [MnBr₄]^-2, in acetonitrile were studied in detail. The objective of this study was to relate changes in the effective spin Hamiltonian parameters and the resonance line widths to the structure of these molecular complexes as well as to dynamical processes in solution.

Of the three systems studied, the results obtained from the [Mn(CH₃CN)₆]⁺² system were the most straight-forward to interpret. Resonance broadening attributable to manganese spin-spin dipolar interactions was observed as the manganese concentration was increased.

In the [MnCl₄]^-2 system, solvent fluctuations and dynamical ion-pairing appear to be significant in determining electron spin relaxation.

In the [MnBr₄]^-2 system, solvent fluctuations, ion-pairing, and Br- ligand exchange provide the principal means of electron spin relaxation. It was also found that the spin relaxation in this system is dependent upon the field strength and is directly related to the manganese concentration. A relaxation theory based on a two state collisional model was developed to account for the observed behavior.

Transfer property of electron pulse in a femto-second electron diffraction system

An ultra-fast electron diffraction system has been designed. The static and dynamic characters of an electron pulse with 150 fs temporal dispersion are studied during its transmission in the whole ultra-fast electron diffraction system, including the size of the electron spot, temporal dispersion, distribution of azimuths and elevation angles. The initial status of the photoelectrons are put down by Monte Carlo method, both the two dimensional and three dimensional electric fields are calculated by finite difference method and the magnetic flux are. calculated by finite element method.

低能He~(2+)与He原子碰撞转移电离出射电子能谱研究；Investigation on Electron Energy Spectra of Transfer Ionization Process in 70 and 100 keV He~(2+) Colliding on He

利用反应显微成像谱仪对70和100keV He2+与He原子碰撞转移电离(TI)过程中不同出射角度的电子能谱进行了测量,观测到出射电子能谱具有如下分布特征:出射电子速度分布介于0和入射离子速度vp之间;在不同出射角度电子能谱分布均有一极大值存在,随着出射角度的增大,能谱分布极大值逐渐减小;当电子出射角度等于45°时,多数电子集中在0eV附近。上述特征可由低能离子-原子碰撞"准分子"模型进行定性解释。在100keV He2+-He转移电离出射电子能谱中有靶电子被俘获至散射离子连续态(electron capture to continuum,简称ECC)电子的贡献,这可看做是动力学两步过程的作用。

Double proton transfer and one-electron oxidation behaviors in double H-bonded glycinamide-formamidine complex and comparison with biological base pair

The behaviors of double proton transfer (DPT) occurring in a representative glycinamide-formamidine complex have been investigated employing the B3LYP/6-311++G** level of theory. Computational results suggest that the participation of a formamidine molecule favors the proceeding of the proton transfer (PT) for glycinamide compared with that without mediator-assisted case. The DPT process proceeds with a concerted mechanism rather than a stepwise one since no zwitterionic complexes have been located during the DPT process. The barrier heights are 14.4 and 3.9 kcal/mol for the forward and reverse directions, respectively. However, both of them have been reduced by 3.1 and 2.9 kcal/mol to 11.3 and 1.0 kcal/mol with further inclusion of zero-point vibrational energy (ZPVE) corrections, where the lower reverse barrier height implies that the reverse reaction should proceed easily at any temperature of biological importance. Additionally, the one-electron oxidation process for the double H-bonded glycinamide-formamidine complex has also been investigated. The oxidated product is characterized by a distonic radical cation due to the fact that one-electron oxidation takes place on glycinamide fragment and a proton has been transferred from glycinamide to formamidine fragment spontaneously. As a result, the vertical and adiabatic ionization potentials for the neutral double H-bonded complex have been determined to be about 8.46 and 7.73 eV, respectively, where both of them have been reduced by about 0.79 and 0.87 eV relative to those of isolated glycinamide due to the formation of the intermolecular H-bond with formamidine. Finally, the differences between model system and adenine-thymine base pair have been discussed briefly.

Manipulating charge-transfer character with electron-withdrawing main-group moieties for the color tuning of iridium electrophosphors

A new and synthetically versatile strategy has been developed for the phosphorescence color tuning of cyclometalated iridium phosphors by simple tailoring of the phenyl ring of ppy (Hppy=2-phenylpyridine) with various main-group moieties in [Ir(ppy-X)(2)(acac)] (X=B(Mes)(2), SiPh3, GePh3, NPh2, POPh2, OPh, SPh, SO2Ph). This can be achieved by shifting the charge-transfer character from the pyridyl groups in some traditional iridium ppy-type complexes to the electron-withdrawing main-group moieties and these assignments were supported by theoretical calculations.

A versatile color tuning strategy for iridium(III) and platinum(II) electrophosphors by shifting the charge-transfer states with an electron-deficient core

By fusing an electron-deficient ring system with the phenyl ring of a 2-phenylpyridine (ppy)-type ligand, a new and synthetically versatile strategy for the phosphorescence color tuning of cyclometalated iridium(III) and platinum(II) metallophosphors has been established. Two robust red electrophosphors with enhanced electron-injection/electron-transporting features were prepared by using an electron-trapping fluoren-9-one chromophore in the ligand design. The thermal, photophysical, redox and electrophosphorescent properties of these complexes are reported. These exciting results can be attributed to a switch of the metal-to-ligand charge-transfer (MLCT) character of the transition from the pyridyl groups in the traditional Ir-III or Pt-II ppy-type complexes to the electron-deficient ring core, and the spectral assignments corroborate well with the electrochemical data as well as the timedependent density functional theory (TD-DFT) calculations. The electron-withdrawing character of the fused ring results in much more stable MLCT states, inducing a substantial red-shift of the triplet emission energy from yellow to red for the Ir-III complex and even green to red for the PtII counterpart.

Transfer ionization process p+He -> H-0+He2++e(-) with the ejected electron detected in the plane perpendicular to the incident beam direction

A joint experimental and theoretical study of the transfer ionization process p+He&RARR; H-0+He2++e(-) is presented for 630-keV proton impact energy, where the electron is detected in a plane perpendicular to the proton beam direction. With this choice of kinematics we find the triple-differential cross section to be particularly sensitive to angular correlation in the helium target. There is a good agreement between the experimental data and theoretical calculations.