Light-driven oxygen scavenging by titania/polymer nanocomposite films

We demonstrate that UV illumination of nanocrystalline TiO2 films in the presence of excess organic hole scavengers can result in the deoxygenation of a closed environment. The kinetics of deoxygenation are investigated under continuous UV illumination as a function of film preparation and hole scavenger employed. Optimum deoxygenation is observed using methanol as a hole scavenger, although efficient deoxygenation is also observed for a range of different polymer/TiO2 nanocomposite films deposited on glass and plastic substrates. Transient absorption spectroscopy is used to probe the kinetics of the deoxygenation reaction, focusing on the kinetics of the reduction of oxygen by photogenerated TiO2 electrons. Under aerobic conditions, this oxygen reduction reaction is observed to exhibit first order kinetics with a rate constant of 70 s(-1), more than one order of magnitude faster than alternative reaction pathways for the photogenerated electrons. These observations are discussed in terms of the Langmuir-Hinshelwood equation for photocatalytic action. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

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

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

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

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

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

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

Charge generation, transport and recombination in organic solar cells

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

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

Kinetische Studien zur OH-Bildung über die Reaktionen von HO 2 mit organischen Peroxyradikalen

Es wurde untersucht, wie sich das Substitutionsmuster organischer Peroxyradikale (RO2) auf die Ratenkonstante k1 und die Verzweigungsverhältnisse α, β und γ der Reaktionen von RO2 mit HO2 auswirkt. Die Effekte der Deuterierung von HO2 wurden ebenfalls studiert. Für zwei RO2 wurde zusätzlich das UV-Absorptionsspektrum bestimmt.rnrn αrnRO2 + HO2 → RO + OH + O2 R1arnrn βrn → RO2H + O2 R1brnrn γrn → ROH + O3 R1crnrnIn dieser Arbeit wurde ein neues Experiment aufgebaut. Für die direkte und zeitaufgelöste Messung der OH-Konzentration wurde das Verfahren der Laser-induzierten Fluoreszenz angewendet. Die Radikalerzeugung erfolgte mittels gepulster Laserphotolyse, wodurch unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden konnten. Mittels transienter Absorptionsspektroskopie konnten die Menge der photolytisch erzeugten Radikale bestimmt und die Ozonbildung über R1c quantifiziert werden. Für die Auswertung wurden kinetische Modelle numerisch an die Messdaten angepasst. Um die experimentellen Unsicherheiten abzuschätzen, wurde ein Monte-Carlo-Ansatz gewählt.rnrnk1 und α reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen des RO2-Substitutionsmusters. Während sich eine OH-Bildung für das unsubstituierte C2H5O2 (EtP) mit α EtP ≤ 5 % nicht nachweisen lässt, stellt R1a bei den α-Oxo-substituierten H3CC(O)O2 (AcP) und HOCH2C(O)O2 (HAP) mit α AcP = (63 ± 11) % bzw. α HAP = (69 ± 12) % den Hauptkanal dar. Wie die mit α HEP = (10 ± 4) % geringfügige OH-Bildung bei HOC2H4O2 (HEP) zeigt, nimmt die OH-Gruppe in β-Stellung weniger Einfluss auf den Wert von α als die Oxogruppe in α-Stellung. Bei der Erzeugung α-Oxo-substituierter RO2 kann ebenfalls OH entstehen (R+O2→RO2/OH). Die Druckabhängigkeit dieser OH-Quelle wurde mit einem innovativen Ansatz bestimmt. Mit γ AcP = (15+5-6) % bzw. γ HAP = (10+2-3) % lässt sich für die Reaktionen der α-Oxo-substituierten RO2 eine erhebliche Ozonbildung nachweisen. Durch die Einführung der α-Oxogruppe steigt k1 jeweils um 1,3 • 10-11 cm3s-1 an, der Effekt der β-Hydroxygruppe ist halb so groß (k1 AcP = (2,0 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1, k1 HAP = (2,6 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Das Verzweigungsverhältnis α steigt weiter, wenn das HO2 deuteriert wird (α AcP,iso = (80 ± 14) %, k1 AcP,iso = (2,1 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Vergleiche mit älteren Studien zeigen, dass die OH-Bildung über R1a bislang deutlich unterschätzt worden ist. Die möglichen Ursachen für die Unterschiede zwischen den Studien werden ebenso diskutiert wie die Hintergründe der beobachteten Substituenteneffekte.

Charge generation and recombination in hybrid organic,inorganic solar cells

This thesis deals with the investigation of exciton and charge dynamics in hybrid solar cells by time-resolved optical spectroscopy. Quasi-steady-state and transient absorption spectroscopy, as well as time-resolved photoluminescence spectroscopy, were employed to study charge generation and recombination in solid-state organic dye-sensitized solar cells, where the commonly used liquid electrolyte is replaced by an organic solid hole transporter, namely 2,2′7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9′-spirobifluorene (spiro-MeOTAD), and polymer-metal oxide bulk heterojunction solar cells, where the commonly used fullerene acceptor [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) is replaced by zinc oxide (ZnO) nanoparticles. By correlating the spectroscopic results with the photovoltaic performance, efficiency-limiting processes and processes leading to photocurrent generation in the investigated systems are revealed. rnIt is shown that the charge generation from several all-organic donor-π-bridge-acceptor dyes, specifically perylene monoimide derivatives, employed in solid-state dye-sensitized solar cells, is strongly dependent on the presence of a commonly used additive lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide salt (Li-TFSI) at the interface. rnMoreover, it is shown that charges can not only be generated by electron injection from the excited dye into the TiO2 acceptor and subsequent regeneration of the dye cation by the hole transporter, but also by an alternative mechanism, called preceding hole transfer (or reductive quenching). Here, the excited dye is first reduced by the hole transporter and the thereby formed anion subsequently injects an electron into the titania. This additional charge generation process, which is only possible for solid hole transporters, helps to overcome injection problems. rnHowever, a severe disadvantage of solid-state dye-sensitized solar cells is re-vealed by monitoring the transient Stark effect on dye molecules at the inter-face induced by the electric field between electrons and holes. The attraction between the negative image charge present in TiO2, which is induced by the positive charge carrier in the hole transporter due to the dielectric contrast between the organic spiro-MeOTAD and inorganic titania, is sufficient to at-tract the hole back to the interface, thereby increasing recombination and suppressing the extraction of free charges.rnBy investigating the effect of different dye structures and physical properties on charge generation and recombination, design rules and guidelines for the further advancement of solid-state dye-sensitized solar cells are proposed.rnFinally, a spectroscopic study on polymer:ZnO bulk heterojunction hybrid solar cells, employing different surfactants attached to the metal oxide nanoparticles, was performed to understand the effect of surfactants upon photovoltaic behavior. By applying a parallel pool analysis on the transient absorption data, it is shown that suppressing fast recombination while simultaneously maintaining the exciton splitting efficiency by the right choice of surfactants leads to better photovoltaic performances. Suppressing the fast recombination completely, whilst maintaining the exciton splitting, could lead to a doubling of the power conversion efficiency of this type of solar cell.

Charge separation and recombination in novel polymeric absorber materials for organic solar cells : a photophysical study

In dieser Dissertation wird die Ladungsträgergeneration und -rekombination in neuen polymeren Absorbermaterialien für organische Solarzellen untersucht. Das Verständnis dieser Prozesse ist wesentlich für die Entwicklung neuer photoaktiver Materialsysteme, die hohe Effizienzen erzielen und organische Solarzellen konkurrenzfähig im Bereich der erneuerbaren Energien machen. Experimentell verwendet diese Arbeit hauptsächlich die Methode der transienten Absorptionsspektroskopie, die sich für die Untersuchung photophysikalischer Prozesse auf einer Zeitskala von 100 fs bis 1 ms als sehr leistungsfähig erweist. Des Weiteren wird eine soft-modeling Methode vorgestellt, die es ermöglicht, photophysikalische Prozesse aus einer gemessenen transienten Absorptions-Datenmatrix zu bestimmen, wenn wenig a priori Kenntnisse der Reaktionskinetiken vorhanden sind. Drei unterschiedliche Donor:Akzeptor-Systeme werden untersucht; jedes dieser Systeme stellt eine andere Herangehensweise zur Optimierung der Materialien dar in Bezug auf Lichtabsorption über einen breiten Wellenlängenbereich, effiziente Ladungstrennung und schnellen Ladungstransport. Zuerst wird ein Terpolymer untersucht, das aus unterschiedlichen Einheiten für die Lichtabsorption und den Ladungstransport besteht. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, den Fluss angeregter Zustände vom Chromophor auf die Transporteinheit zu leiten. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Kristallinität auf die freie Ladungsträgergeneration mit einer Folge von ternären Mischungen, die unterschiedliche Anteile an amorphem und semi-kristallinem Polymer enthalten, untersucht. Dabei zeigt es sich, dass mit steigendem amorphen Polymeranteil sowohl der Anteil der geminalen Ladungsträgerrekombination erhöht als auch die nicht-geminale Rekombination schneller ist. Schlussendlich wird ein System untersucht, in dem sowohl Donor als auch Akzeptor Polymere sind, was zu verbesserten Absorptionseigenschaften führt. Die Rekombination von Ladungstransferzuständen auf der unter 100 ps Zeitskala stellt hier den hauptsächliche Verlustkanal dar, da freie Ladungsträger nur an Grenzflächen erzeugt werden können, an denen Donor und Akzeptor face-to-face zueinander orientiert sind. Darüber hinaus wird festgestellt, dass weitere 40-50% der Ladungsträger durch die Rekombination von Grenzflächenzuständen verloren gehen, die aus mobilen Ladungsträgern geminal gebildet werden.

Effect of the Addition of a Fused Donor-Acceptor Ligand on a Ru(II) Complex: Synthesis, Characterization, and Photoinduced Electron Transfer Reactions of Ru(TTF-dppz)(2)(Aqphen) (2+)

The synthesis and the photophysical properties of the complex [Ru(TTF-dppz)(2)(Aqphen)](2+) (TTF = tetrathiafulvalene, dppz = dipyrido-[3,2-a:2',3'-c]phenazine, Aqphen = anthraquinone fused to phenanthroline via a pyrazine bridge) are described. In this molecular triad excitation into the metal ligand charge transfer bands results in the creation of a long-lived charge separated state with TTF acting as electron donor and anthraquinone as terminal acceptor. The lifetime of the charge-separated state is 400 ns in dichloromethane at room temperature. A mechanism for the charge separation involving an intermediate charge-separated state is proposed based on transient absorption spectroscopy.

Energy and charge transfer dynamics in DNA based light harvesting antennae

DNA can serve as a versatile scaffold for chromophore assemblies. For example, light-harvesting antennae have been realized by incorporating phenanthrene and pyrene building blocks into DNA strands. It was shown that by exciting at 320 nm (absorption of phenanthrene), an emission at 450 nm is observed which corresponds to a phenanthrene-pyrene exciplex. The more phenanthrenes are added into the DNA duplex, the higher is the fluorescence intensity with no significant change in quantum yield. This shows that phenanthrene acts as a donor and efficiently transfers the excitation energy to the pyrene. Up to now, the mechanism of this energy transfer and exciplex formation is not known. Therefore, we first aim at studying the photo-cycle of such DNA assemblies through transient absorption spectroscopy. Based on the results, we will explore ways to manipulate the energy transfer by application of intense THz fields. Ground as well as excited state Stark effect dynamics will be investigated.

Femtosecond resolution of ligand-heme interactions in the high-affinity quinol oxidase bd: A di-heme active site?

Interaction of the two high-spin hemes in the oxygen reduction site of the bd-type quinol oxidase from Escherichia coli has been studied by femtosecond multicolor transient absorption spectroscopy. The previously unidentified Soret band of ferrous heme b595 was determined to be centered around 440 nm by selective excitation of the fully reduced unliganded or CO-bound cytochrome bd in the α-band of heme b595. The redox state of the b-type hemes strongly affects both the line shape and the kinetics of the absorption changes induced by photodissociation of CO from heme d. In the reduced enzyme, CO photodissociation from heme d perturbs the spectrum of ferrous cytochrome b595 within a few ps, pointing to a direct interaction between hemes b595 and d. Whereas in the reduced enzyme no heme d-CO geminate recombination is observed, in the mixed-valence CO-liganded complex with heme b595 initially oxidized, a significant part of photodissociated CO does not leave the protein and recombines with heme d within a few hundred ps. This caging effect may indicate that ferrous heme b595 provides a transient binding site for carbon monoxide within one of the routes by which the dissociated ligand leaves the protein. Taken together, the data indicate physical proximity of the hemes d and b595 and corroborate the possibility of a functional cooperation between the two hemes in the dioxygen-reducing center of cytochrome bd.

Capturing protein dynamics with time-resolved luminescence spectroscopy

The presented doctoral research utilizes time-resolved spectroscopy to characterize protein dynamics and folding mechanisms. We resolve millisecond-timescale folding by coupling time-resolved fluorescence energy transfer (trFRET) to a continuous flow microfluidic mixer to obtain intramolecular distance distributions throughout the folding process. We have elucidated the folding mechanisms of two cytochromes---one that exhibits two-state folding (cytochrome cb₅₆₂) and one that has both a kinetic refolding intermediate ensemble and a distinct equilibrium unfolding intermediate (cytochrome c₅₅₂). Our data reveal that the distinct structural features of cytochrome c₅₅₂ contribute to its thermostability.

We have also investigated intrachain contact dynamics in unfolded cytochrome cb₅₆₂ by monitoring electron transfer, which occurs as the heme collides with a ruthenium photosensitizer, covalently bound to residues along the polypeptide. Intrachain diffusion for chemically denatured proteins proceeds on the microsecond timescale with an upper limit of 0.1 microseconds. The power-law dependence (slope = -1.5) of the rate constants on the number of peptide bonds between the heme and Ru complex indicate that cytochrome cb₅₆₂ is minimally frustrated.

In addition, we have explored the pathway dependence of electron tunneling rates between metal sites in proteins. Our research group has converted cytochrome b₅₆₂ to a c-type cytochrome with the porphyrin covalently bound to cysteine sidechains. We have investigated the effects of the changes to the protein structure (i.e., increased rigidity and potential new equatorial tunneling pathways) on the electron transfer rates, measured by transient absorption, in a series of ruthenium photosensitizer-modified proteins.

Ultrafast dynamics of exciton formation in semiconductor nanowires.

The dynamics of free electron-hole pairs and excitons in GaAs-AlGaAs-GaAs core-shell-skin nanowires is investigated using femtosecond transient photoluminescence spectroscopy at 10 K. Following nonresonant excitation, a bimolecular interconversion of the initially generated electron-hole plasma into an exciton population is observed. This conducting-to-insulating transition appears to occur gradually over electron-hole charge pair densities of 2-4 × 10(16) cm(-3) . The smoothness of the Mott transition is attributed to the slow carrier-cooling during the bimolecular interconversion of free charge carriers into excitons and to the presence of chemical-potential fluctuations leading to inhomogeneous spectral characteristics. These results demonstrate that high-quality nanowires are model systems for investigating fundamental scientific effects in 1D heterostructures.

Investigation of defects in low-temperature-grown GaAs using optical transient spectroscopy

Optical transient current spectroscopy (OTCS) has been used to investigate defects in the low-temperature-grown GaAs after postgrowth rapid thermal annealing (RTA). Two samples A and B were grown at 220 degreesC and 360 degreesC on (001) GaAs substrates, respectively. After growth, samples were subjected to 30s RTA in the range of 500-800 degreesC. Before annealing, X-ray diffraction measurements show that the concentrations of the excess arsenic for samples A and B are 2.5 x 10(19) and 1 x 10(19) cm(-3), respectively. It is found that there are strong negative decay signals in the optical transient current (OTC) for the annealed sample A. Due to the influence of OTC strong negative decay signals, it is impossible to identify deep levels clearly from OTCS. For a comparison, three deep levels can be identified for sample B before annealing. They are two shallower deep levels and the so-called As-Ga antisite defect. At the annealing temperature of 600 degreesC, there are still three deep levels. However, their structures are different from those in the as-grown sample. OTC strong negative decay signals are also observed for the annealed sample B. It is argued that OTC negative decay signals are related to arsenic clusters. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.