Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Ruthenium-based light harvesting complexes

Polypyridylkomplexe von Ruthenium(II) besitzen eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen und als Photokatalysatoren. [Ru(bpy)3]2+ ist einer der prominentesten Ruthenium(II)-Komplexe und besitzt langlebige angeregte 3MLCT-Zustände mit einer Lebensdauer von 1 µs und einer Lumineszenz-Quantenausbeute von 10%. [Ru(bpy)3]2+ ist chiral und kann Stereoisomere bilden, wenn die Liganden unsymmetrisch substituiert sind oder im Falle von oligonuklearen rac/meso-Komplexen. Bis-tridentate Komplexe wie [Ru(tpy)2]2+ sind achiral und umgehen damit unerwünschte Stereoisomere. [Ru(tpy)2]2+ besitzt jedoch enttäuschende photophysikalische Eigenschaften mit einer 3MLCT-Lebensdauer von nur etwa 0.2 ns und einer Quantenausbeute von ≤ 0.0007%. Die Anbringung von Substituenten an [Ru(tpy)2]2+ sowie die Aufweitung der Liganden-Bisswinkel auf 90° bewirken deutlich verbesserte Eigenschaften der emittierenden 3MLCT-Zustände. rnDieser Strategie folgend wurden in der vorliegenden Arbeit neue bis-tridentate Ruthenium(II)-Komplexe entwickelt, synthetisiert und charakterisiert. Durch Anbringen von Ester-Substituenten und Verwenden von Liganden mit erweiterten Bisswinkeln konnten 3MLCT-Lebensdauern von bis zu 841 ns und Quantenausbeuten von bis zu 1.1% erreicht werden. Die neuen bis-tridentaten Komplexe weisen eine deutlich erhöhte Photostabilität im Vergleich zu tris-bidentatem [Ru(bpy)3]2+ auf. rnDie Komplexe wurden als Emitter in Licht-emittierenden elektrochemischen Zellen eingebaut und zeigen Elektrolumineszenz mit einer tiefroten Farbe, die bis ins NIR reicht. Ebenso wurden die Komplexe als Lichtsammler in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen getestet und erreichen Licht-zu-Energie-Effizienzen von bis zu 0.26%. rnDinukleare, stereochemisch einheitliche Ruthenium(II)-Komplexe wurden oxidiert um die Metall-Metall-Wechselwirkung zwischen Ru(II) und Ru(III) in der einfach oxidierten Spezies zu untersuchen. Die unterschiedlichen Redoxeigenschaften der beiden Rutheniumzentren in den verwendeten dinuklearen Verbindungen führt zu einer valenzlokalisierten Situation in der keine Metall-Metall-Wechselwirkung beobachtet wird. Ebenso wurde die Oxidation eines einkernigen Ruthenium(II)-Komplexes sowie dessen spontane Rückreduktion untersucht.rnEnergietransfersysteme wurden mittels Festphasensynthese hergestellt. Dabei ist ein Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplex als Energie-Akzeptor über eine unterschiedliche Anzahl an Glycineinheiten mit einem Cumarin-Chromophor als Energie-Donor verknüpft. Bei einer kleinen Zahl an Glycineinheiten (0, 1) findet effektiver Energietransfer vom Cumarin- zum Ruthenium-Chromophor statt, wogegen bei zwei Glycineinheiten ein effektiver Energietransfer verhindert ist.rnLicht-induzierte Ladungstrennung wurde erreicht, indem Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplexe als Chromophore in einem Donor-Chromophor-Akzeptor-Nanokomposit eingesetzt wurden. Dabei wurde ein Triphenylamin-enthaltendes Blockcopolymer als Elektronendonor und ZnO-Nanostäbchen als Elektronenakzeptor verwendet. Bei Bestrahlung des Chromophors werden Elektronen in die ZnO-Nanostäbchen injiziert und die Elektronenlöcher wandern in das Triphenylamin-enthaltende Blockcopolymer. rnrn

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.

Absolute pKa Determinations for Substituted Phenols

The CBS-QB3 method was used to calculate the gas-phase free energy difference between 20 phenols and their respective anions, and the CPCM continuum solvation method was applied to calculate the free energy differences of solvation for the phenols and their anions. The CPCM solvation calculations were performed on both gas-phase and solvent-phase optimized structures. Absolute pKa calculations with solvated phase optimized structures for the CPCM calculations yielded standard deviations and root-mean-square errors of less than 0.4 pKa unit. This study is the most accurate absolute determination of the pKa values of phenols, and is among the most accurate of any such calculations for any group of compounds. The ability to make accurate predictions of pKa values using a coherent, well-defined approach, without external approximations or fitting to experimental data, is of general importance to the chemical community. The solvated phase optimized structures of the anions are absolutely critical to obtain this level of accuracy, and yield a more realistic charge separation between the negatively charged oxygen and the ring system of the phenoxide anions.

Structures, energetics and fragmentation pathways of CnH22+ carbodications

Potential energy curves have been calculated for CnH22+ (n = 2−9) ions and results have been compared with data on unimolecular charge-separation reactions obtained by Rabrenović and Beynon. Geometry-optimized, minimum energy, linear CnH22+ structures have been computed for ground and low-lying excited states. These carbodications exist in stable configurations with well depths greater than 3 eV. Decomposition pathways into singly charged fragment ions lead to products with computed kinetic energies in excess of 1 eV. A high degree of correlation exists between experimental information and results computed for linear CnH22+ structures having hydrogen atoms on each end. The exception involves C4H22+reactions where a low-lying doubly charged isomer must be invoked to rationalize the experimental data.

On vertical electric fields at lunar magnetic anomalies

We study the interaction between a magnetic dipole mimicking the Gerasimovich magnetic anomaly on the lunar surface and the solar wind in a self-consistent 3-D quasi-neutral hybrid simulation where ions are modeled as particles and electrons as a charge-neutralizing fluid. Especially, we consider the origin of the recently observed electric potentials at lunar magnetic anomalies. An antimoonward Hall electric field forms in our simulation resulting in a potential difference of <300V on the lunar surface, in which the value is similar to observations. Since the hybrid model assumes charge neutrality, our results suggest that the electric potentials at lunar magnetic anomalies can be formed by decoupling of ion and electron motion even without charge separation.

Electro y dielectroforesis de nanopartículas por efecto fotovoltaico

El objetivo de esta tesis doctoral es la investigación del nuevo concepto de pinzas fotovoltaicas, es decir, del atrapamiento, ordenación y manipulación de partículas en las estructuras generadas en la superficie de materiales ferroeléctricos mediante campos fotovoltaicos o sus gradientes. Las pinzas fotovoltaicas son una herramienta prometedora para atrapar y mover las partículas en la superficie de un material fotovoltaico de una manera controlada. Para aprovechar esta nueva técnica es necesario conocer con precisión el campo eléctrico creado por una iluminación específica en la superficie del cristal y por encima de ella. Este objetivo se ha dividido en una serie de etapas que se describen a continuación. La primera etapa consistió en la modelización del campo fotovoltaico generado por iluminación no homogénea en substratos y guías de onda de acuerdo al modelo de un centro. En la segunda etapa se estudiaron los campos y fuerzas electroforéticas y dielectroforéticas que aparecen sobre la superficie de substratos iluminados inhomogéneamente. En la tercera etapa se estudiaron sus efectos sobre micropartículas y nanopartículas, en particular se estudió el atrapamiento superficial determinando las condiciones que permiten el aprovechamiento como pinzas fotovoltaicas. En la cuarta y última etapa se estudiaron las configuraciones más eficientes en cuanto a resolución espacial. Se trabajó con distintos patrones de iluminación inhomogénea, proponiéndose patrones de iluminación al equipo experimental. Para alcanzar estos objetivos se han desarrollado herramientas de cálculo con las cuales obtenemos temporalmente todas las magnitudes que intervienen en el problema. Con estas herramientas podemos abstraernos de los complicados mecanismos de atrapamiento y a partir de un patrón de luz obtener el atrapamiento. Todo el trabajo realizado se ha llevado a cabo en dos configuraciones del cristal, en corte X ( superficie de atrapamiento paralela al eje óptico) y corte Z ( superficie de atrapamiento perpendicular al eje óptico). Se ha profundizado en la interpretación de las diferencias en los resultados según la configuración del cristal. Todas las simulaciones y experimentos se han realizado utilizando como soporte un mismo material, el niobato de litio, LiNbO3, con el f n de facilitar la comparación de los resultados. Este hecho no ha supuesto una limitación en los resultados pues los modelos no se limitan a este material. Con respecto a la estructura del trabajo, este se divide en tres partes diferenciadas que son: la introducción (I), la modelización del atrapamiento electroforético y dielectroforético (II) y las simulaciones numéricas y comparación con experimentos (III). En la primera parte se fijan las bases sobre las que se sustentarán el resto de las partes. Se describen los efectos electromagnéticos y ópticos a los que se hará referencia en el resto de los capítulos, ya sea por ser necesarios para describir los experimentos o, en otros casos, para dejar constancia de la no aparición de estos efectos para el caso en que nos ocupa y justificar la simplificación que en muchos casos se hace del problema. En esta parte, se describe principalmente el atrapamiento electroforético y dielectroforético, el efecto fotovoltaico y las propiedades del niobato de litio por ser el material que utilizaremos en experimentos y simulaciones. Así mismo, como no debe faltar en ninguna investigación, se ha analizado el state of the art, revisando lo que otros científicos del campo en el que estamos trabajando han realizado y escrito con el fin de que nos sirva de cimiento a la investigación. Con el capítulo 3 finalizamos esta primera parte describiendo las técnicas experimentales que hoy en día se están utilizando en los laboratorios para realizar el atrapamiento de partículas mediante el efecto fotovoltaico, ya que obtendremos ligeras diferencias en los resultados según la técnica de atrapamiento que se utilice. En la parte I I , dedicada a la modelización del atrapamiento, empezaremos con el capítulo 4 donde modelizaremos el campo eléctrico interno de la muestra, para a continuación modelizar el campo eléctrico, los potenciales y las fuerzas externas a la muestra. En capítulo 5 presentaremos un modelo sencillo para comprender el problema que nos aborda, al que llamamos Modelo Estacionario de Separación de Carga. Este modelo da muy buenos resultados a pesar de su sencillez. Pasamos al capítulo 6 donde discretizaremos las ecuaciones que intervienen en la física interna de la muestra mediante el método de las diferencias finitas, desarrollando el Modelo de Distribución de Carga Espacial. Para terminar esta parte, en el capítulo 8 abordamos la programación de las modelizaciones presentadas en los anteriores capítulos con el fn de dotarnos de herramientas para realizar las simulaciones de una manera rápida. En la última parte, III, presentaremos los resultados de las simulaciones numéricas realizadas con las herramientas desarrolladas y comparemos sus resultados con los experimentales. Fácilmente podremos comparar los resultados en las dos configuraciones del cristal, en corte X y corte Z. Finalizaremos con un último capítulo dedicado a las conclusiones, donde resumiremos los resultados que se han ido obteniendo en cada apartado desarrollado y daremos una visión conjunta de la investigación realizada. ABSTRACT The aim of this thesis is the research of the new concept of photovoltaic or optoelectronic tweezers, i.e., trapping, management and manipulation of particles in structures generated by photovoltaic felds or gradients on the surface of ferroelectric materials. Photovoltaic tweezers are a promising tool to trap and move the particles on the surface of a photovoltaic material in a monitored way. To take advantage of this new technique is necessary to know accurately the electric field created by a specifc illumination in the crystal surface and above it. For this purpose, the work was divided into the stages described below. The first stage consisted of modeling the photovoltaic field generated by inhomogeneous illumination in substrates and waveguides according to the one-center model. In the second stage, electrophoretic and dielectrophoretic fields and forces appearing on the surface of substrates and waveguides illuminated inhomogeneously were studied. In the third stage, the study of its effects on microparticles and nanoparticles took place. In particular, the trapping surface was studied identifying the conditions that allow its use as photovoltaic tweezers. In the fourth and fnal stage the most efficient configurations in terms of spatial resolution were studied. Different patterns of inhomogeneous illumination were tested, proposing lightning patterns to the laboratory team. To achieve these objectives calculation tools were developed to get all magnitudes temporarily involved in the problem . With these tools, the complex mechanisms of trapping can be simplified, obtaining the trapping pattern from a light pattern. All research was carried out in two configurations of crystal; in X section (trapping surface parallel to the optical axis) and Z section (trapping surface perpendicular to the optical axis). The differences in the results depending on the configuration of the crystal were deeply studied. All simulations and experiments were made using the same material as support, lithium niobate, LiNbO3, to facilitate the comparison of results. This fact does not mean a limitation in the results since the models are not limited to this material. Regarding the structure of this work, it is divided into three clearly differentiated sections, namely: Introduction (I), Electrophoretic and Dielectrophoretic Capture Modeling (II) and Numerical Simulations and Comparison Experiments (III). The frst section sets the foundations on which the rest of the sections will be based on. Electromagnetic and optical effects that will be referred in the remaining chapters are described, either as being necessary to explain experiments or, in other cases, to note the non-appearance of these effects for the present case and justify the simplification of the problem that is made in many cases. This section mainly describes the electrophoretic and dielectrophoretic trapping, the photovoltaic effect and the properties of lithium niobate as the material to use in experiments and simulations. Likewise, as required in this kind of researches, the state of the art have been analyzed, reviewing what other scientists working in this field have made and written so that serve as a foundation for research. With chapter 3 the first section finalizes describing the experimental techniques that are currently being used in laboratories for trapping particles by the photovoltaic effect, because according to the trapping technique in use we will get slightly different results. The section I I , which is dedicated to the trapping modeling, begins with Chapter 4 where the internal electric field of the sample is modeled, to continue modeling the electric field, potential and forces that are external to the sample. Chapter 5 presents a simple model to understand the problem addressed by us, which is called Steady-State Charge Separation Model. This model gives very good results despite its simplicity. In chapter 6 the equations involved in the internal physics of the sample are discretized by the finite difference method, which is developed in the Spatial Charge Distribution Model. To end this section, chapter 8 is dedicated to program the models presented in the previous chapters in order to provide us with tools to perform simulations in a fast way. In the last section, III, the results of numerical simulations with the developed tools are presented and compared with the experimental results. We can easily compare outcomes in the two configurations of the crystal, in section X and section Z. The final chapter collects the conclusions, summarizing the results that were obtained in previous sections and giving an overview of the research.

Design of a Semi-analytical Method to Describe Plasma-Wall Interactions

Electric probes are objects immersed in the plasma with sharp boundaries which collect of emit charged particles. Consequently, the nearby plasma evolves under abrupt imposed and/or naturally emerging conditions. There could be localized currents, different time scales for plasma species evolution, charge separation and absorbing-emitting walls. The traditional numerical schemes based on differences often transform these disparate boundary conditions into computational singularities. This is the case of models using advection-diffusion differential equations with source-sink terms (also called Fokker-Planck equations). These equations are used in both, fluid and kinetic descriptions, to obtain the distribution functions or the density for each plasma species close to the boundaries. We present a resolution method grounded on an integral advancing scheme by using approximate Green's functions, also called short-time propagators. All the integrals, as a path integration process, are numerically calculated, what states a robust grid-free computational integral method, which is unconditionally stable for any time step. Hence, the sharp boundary conditions, as the current emission from a wall, can be treated during the short-time regime providing solutions that works as if they were known for each time step analytically. The form of the propagator (typically a multivariate Gaussian) is not unique and it can be adjusted during the advancing scheme to preserve the conserved quantities of the problem. The effects of the electric or magnetic fields can be incorporated into the iterative algorithm. The method allows smooth transitions of the evolving solutions even when abrupt discontinuities are present. In this work it is proposed a procedure to incorporate, for the very first time, the boundary conditions in the numerical integral scheme. This numerical scheme is applied to model the plasma bulk interaction with a charge-emitting electrode, dealing with fluid diffusion equations combined with Poisson equation self-consistently. It has been checked the stability of this computational method under any number of iterations, even for advancing in time electrons and ions having different time scales. This work establishes the basis to deal in future work with problems related to plasma thrusters or emissive probes in electromagnetic fields.

Multiple pathways for ultrafast transduction of light energy in the photosynthetic reaction center of Rhodobacter sphaeroides

A pathway of electron transfer is described that operates in the wild-type reaction center (RC) of the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides. The pathway does not involve the excited state of the special pair dimer of bacteriochlorophylls (P*), but instead is driven by the excited state of the monomeric bacteriochlorophyll (BA*) present in the active branch of pigments along which electron transfer occurs. Pump-probe experiments were performed at 77 K on membrane-bound RCs by using different excitation wavelengths, to investigate the formation of the charge separated state P+HA−. In experiments in which P or BA was selectively excited at 880 nm or 796 nm, respectively, the formation of P+HA− was associated with similar time constants of 1.5 ps and 1.7 ps. However, the spectral changes associated with the two time constants are very different. Global analysis of the transient spectra shows that a mixture of P+BA− and P* is formed in parallel from BA* on a subpicosecond time scale. In contrast, excitation of the inactive branch monomeric bacteriochlorophyll (BB) and the high exciton component of P (P+) resulted in electron transfer only after relaxation to P*. The multiple pathways for primary electron transfer in the bacterial RC are discussed with regard to the mechanism of charge separation in the RC of photosystem II from higher plants.

The nature of the excited state of the reaction center of photosystem II of green plants: A high-resolution fluorescence spectroscopy study

We studied the electronically excited state of the isolated reaction center of photosystem II with high-resolution fluorescence spectroscopy at 5 K and compared the obtained spectral features with those obtained earlier for the primary electron donor. The results show that there is a striking resemblance between the emitting and charge-separating states in the photosystem II reaction center, such as a very similar shape of the phonon wing with characteristic features at 19 and 80 cm−1, almost identical frequencies of a number of vibrational modes, a very similar double-Gaussian shape of the inhomogeneous distribution function, and relatively strong electron-phonon coupling for both states. We suggest that the emission at 5 K originates either from an exciton state delocalized over the inactive branch of the photosystem or from a fraction of the primary electron donor that is long-lived at 5 K. The latter possibility can be explained by a distribution of the free energy difference of the primary charge separation reaction around zero. Both possibilities are in line with the idea that the state that drives primary charge separation in the reaction center of photosystem II is a collective state, with contributions from all chlorophyll molecules in the central part of the complex.

The Regulation of Photosynthetic Electron Transport during Nutrient Deprivation in Chlamydomonas reinhardtii1

The light-saturated rate of photosynthetic O2 evolution in Chlamydomonas reinhardtii declined by approximately 75% on a per-cell basis after 4 d of P starvation or 1 d of S starvation. Quantitation of the partial reactions of photosynthetic electron transport demonstrated that the light-saturated rate of photosystem (PS) I activity was unaffected by P or S limitation, whereas light-saturated PSII activity was reduced by more than 50%. This decline in PSII activity correlated with a decline in both the maximal quantum efficiency of PSII and the accumulation of the secondary quinone electron acceptor of PSII nonreducing centers (PSII centers capable of performing a charge separation but unable to reduce the plastoquinone pool). In addition to a decline in the light-saturated rate of O2 evolution, there was reduced efficiency of excitation energy transfer to the reaction centers of PSII (because of dissipation of absorbed light energy as heat and because of a transition to state 2). These findings establish a common suite of alterations in photosynthetic electron transport that results in decreased linear electron flow when C. reinhardtii is limited for either P or S. It was interesting that the decline in the maximum quantum efficiency of PSII and the accumulation of the secondary quinone electron acceptor of PSII nonreducing centers were regulated specifically during S-limited growth by the SacI gene product, which was previously shown to be critical for the acclimation of C. reinhardtii to S limitation (J.P. Davies, F.H. Yildiz, and A.R. Grossman [1996] EMBO J 15: 2150–2159).

A simple light-driven transmembrane proton pump.

Light-induced lipophilic porphyrin/aqueous acceptor charge separation across a single lipid-water interface can pump protons across the lipid bilayer when the hydrophobic weak acids, carbonylcyanide m-chlorophenylhydrazone and its p-trifluoromethoxyphenyl analogue, are present. These compounds act as proton carriers across lipid bilayers. In their symmetric presence across the bilayer, the positive currents and voltages produced by the photogeneration of porphyrin cations are replaced by larger negative currents and voltages. The maximum negative current and voltage occur at the pH of maximum dark conductance. The reversed larger current and voltage show a positive ionic charge transport in the same direction as the electron transfer. This transport can form an ion concentration gradient. The movement of protons is verified by an unusual D2O isotope effect that increases the negative ionic current by 2- to 3-fold. These effects suggest that an interfacial pK shift of the weak acid caused by the local electric field of photoformed porphyrin cations/acceptor anions functions as the driving force. The estimated pumping efficiency is 10-30%. Time-resolved results show that proton pumping across the bilayer occurs on the millisecond time scale, similar to that of biological pumps. This light-driven proteinless pump offers a simple model for a prebiological energy transducer.

Electrogenic light reactions in photosystem I: resolution of electron-transfer rates between the iron-sulfur centers.

Flash-induced voltage changes (electrogenic events) in photosystem I particles from spinach, oriented in a phospholipid layer, have been studied at room temperature on a time scale ranging from 1 micros to several seconds. A phospholipid layer containing photosystem I particles was adsorbed to a Teflon film separating two aqueous compartments. Voltage changes were measured across electrodes immersed in the compartments. In the absence of added electron donors and acceptors, a multiphasic voltage increase, associated with charge separation, was followed by a decrease, associated with charge recombination. Several kinetic phases were resolved: a rapid (<1 micros) increase, ascribed to electron transfer from the primary electron donor P700 to the iron-sulfur electron acceptor FB, was followed by a slower, biphasic increase with time constants of 30 and 200 micros. The 30-micros phase is assigned to electron transfer from FB to the iron-sulfur center FA. The voltage decrease had a time constant of 90 ms, ascribed to charge recombination from FA to P700. Upon chemical prereduction of FA and FB the 30- and 200-micros phases disappeared and the decay time constant was accelerated to 330 micros, assigned to charge recombination from the phylloquinone electron acceptor (A1) or the iron-sulfur center FX to P700.

Oxide Semiconductors For Organic Opto-electronic Devices

Development of transparent oxide semiconductors (TOS) from Earth-abundant materials is of great interest for cost-effective thin film device applications, such as solar cells, light emitting diodes (LEDs), touch-sensitive displays, electronic paper, and transparent thin film transistors. The need of inexpensive or high performance electrode might be even greater for organic photovoltaic (OPV), with the goal to harvest renewable energy with inexpensive, lightweight, and cost competitive materials. The natural abundance of zinc and the wide bandgap ($sim$3.3 eV) of its oxide make it an ideal candidate. In this dissertation, I have introduced various concepts on the modulations of various surface, interface and bulk opto-electronic properties of ZnO based semiconductor for charge transport, charge selectivity and optimal device performance. I have categorized transparent semiconductors into two sub groups depending upon their role in a device. Electrodes, usually 200 to 500 nm thick, optimized for good transparency and transporting the charges to the external circuit. Here, the electrical conductivity in parallel direction to thin film, i.e bulk conductivity is important. And contacts, usually 5 to 50 nm thick, are optimized in case of solar cells for providing charge selectivity and asymmetry to manipulate the built in field inside the device for charge separation and collection. Whereas in Organic LEDs (OLEDs), contacts provide optimum energy level alignment at organic oxide interface for improved charge injections. For an optimal solar cell performance, transparent electrodes are designed with maximum transparency in the region of interest to maximize the light to pass through to the absorber layer for photo-generation, plus they are designed for minimum sheet resistance for efficient charge collection and transport. As such there is need for material with high conductivity and transparency. Doping ZnO with some common elements such as B, Al, Ga, In, Ge, Si, and F result in n-type doping with increase in carriers resulting in high conductivity electrode, with better or comparable opto-electronic properties compared to current industry-standard indium tin oxide (ITO). Furthermore, improvement in mobility due to improvement on crystallographic structure also provide alternative path for high conductivity ZnO TCOs. Implementing these two aspects, various studies were done on gallium doped zinc oxide (GZO) transparent electrode, a very promising indium free electrode. The dynamics of the superimposed RF and DC power sputtering was utilized to improve the microstructure during the thin films growth, resulting in GZO electrode with conductivity greater than 4000 S/cm and transparency greater than 90 %. Similarly, various studies on research and development of Indium Zinc Tin Oxide and Indium Zinc Oxide thin films which can be applied to flexible substrates for next generation solar cells application is presented. In these new TCO systems, understanding the role of crystallographic structure ranging from poly-crystalline to amorphous phase and the influence on the charge transport and optical transparency as well as important surface passivation and surface charge transport properties. Implementation of these electrode based on ZnO on opto-electronics devices such as OLED and OPV is complicated due to chemical interaction over time with the organic layer or with ambient. The problem of inefficient charge collection/injection due to poor understanding of interface and/or bulk property of oxide electrode exists at several oxide-organic interfaces. The surface conductivity, the work function, the formation of dipoles and the band-bending at the interfacial sites can positively or negatively impact the device performance. Detailed characterization of the surface composition both before and after various chemicals treatment of various oxide electrode can therefore provide insight into optimization of device performance. Some of the work related to controlling the interfacial chemistry associated with charge transport of transparent electrodes are discussed. Thus, the role of various pre-treatment on poly-crystalline GZO electrode and amorphous indium zinc oxide (IZO) electrode is compared and contrasted. From the study, we have found that removal of defects and self passivating defects caused by accumulation of hydroxides in the surface of both poly-crystalline GZO and amorphous IZO, are critical for improving the surface conductivity and charge transport. Further insight on how these insulating and self-passivating defects cause charge accumulation and recombination in an device is discussed. With recent rapid development of bulk-heterojunction organic photovoltaics active materials, devices employing ZnO and ZnO based electrode provide air stable and cost-competitive alternatives to traditional inorganic photovoltaics. The organic light emitting diodes (OLEDs) have already been commercialized, thus to follow in the footsteps of this technology, OPV devices need further improvement in power conversion efficiency and stable materials resulting in long device lifetimes. Use of low work function metals such as Ca/Al in standard geometry do provide good electrode for electron collection, but serious problems using low work-function metal electrodes originates from the formation of non-conductive metal oxide due to oxidation resulting in rapid device failure. Hence, using low work-function, air stable, conductive metal oxides such as ZnO as electrons collecting electrode and high work-function, air stable metals such as silver for harvesting holes, has been on the rise. Devices with degenerately doped ZnO functioning as transparent conductive electrode, or as charge selective layer in a polymer/fullerene based heterojunction, present useful device structures for investigating the functional mechanisms within OPV devices and a possible pathway towards improved air-stable high efficiency devices. Furthermore, analysis of the physical properties of the ZnO layers with varying thickness, crystallographic structure, surface chemistry and grain size deposited via various techniques such as atomic layer deposition, sputtering and solution-processed ZnO with their respective OPV device performance is discussed. We find similarity and differences in electrode property for good charge injection in OLEDs and good charge collection in OPV devices very insightful in understanding physics behind device failures and successes. In general, self-passivating surface of amorphous TCOs IZO, ZTO and IZTO forms insulating layer that hinders the charge collection. Similarly, we find modulation of the carrier concentration and the mobility in electron transport layer, namely zinc oxide thin films, very important for optimizing device performance.