Duisburg, Essen, Universiẗat Diss., 2003.

Konstanz, Univ., Diss., 2008.

München, Univ., Fak. für Geowiss., Diss., 2002.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

University, Diss., 2004--Karlsruhe.

Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Strukturen von 32 neuen Koordinationspolymeren (CPs) und acht neuen Komplexen auf Basis von Antimon- \bzw Bismuthalogeniden und N-Donor Liganden aufgeklärt werden. Davon konnten 26 CPs vollständig mittels diffraktometrischer, spektroskopischer und thermischer Analysetechniken charakterisiert werden. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag dabei auf den strukturellen Eigenschaften sowie den Photolumineszenzeigenschaften der antimon- \bzw bismuthaltigen Koordinationspolymere. Für die Synthese der Koordinationsverbindungen wurden die Bis- \bzw Trispyridyle 4,4'-Bipyridin (\textit{4-bipy}), 1,2-Bis(4-pyridyl)ethylen (\textit{4-bpe}), 1,2-Bis(4-pyridyl)ethan (\textit{4-bpa}) und 2,4,6-Tris(4-pyridyl)triazin (\textit{4-tpt}), die aromatischen Nitrile 4-Cyanopyridin (\textit{4-cypy}) und 2,4,6-Tris(4-cyanophenyl)triazin (\textit{4-tcpt}) sowie die Heteroaromaten Pyrazin (\textit{pyz}) und Thiazol (\textit{thz}) zusammen mit SbX$_3$ und BiX$_3$ (X: Cl, Br, I) eingesetzt. Die Reagenzien wurden unter unterschiedlichen Synthesebedingungen miteinander zur Reaktion gebracht, um die Koordination der organische Liganden zu realisieren. Auf diese Weise konnte eine Fülle an Strukturen beobachtet werden, die sich von Komplexen über eindimensionale Stränge und zweidimensionale Schichten bis hin zu dreidimensionalen Netzwerken erstreckt. Als bevorzugte Koordinationsumgebung wurde sowohl für Bi$^{3+}$, als auch für Sb$^{3+}$ verzerrte Oktaeder beobachtet. Für Antimon konnten darüber hinaus quadratisch pyramidale und tetraedrische Koordination mit stereochemisch aktiven freien Elektronenpaaren beobachtet werden, während vergleichbare Bismutverbindungen oktaedrische Koordination aufweisen. Dies verdeutlicht die stärkere Neigung des freien Elektronenpaares von Sb$^{3+}$ über sterische Wechselwirkungen mit den Liganden in Interaktion zu treten, verglichen mit jenem von Bi$^{3+}$. Die Bispyridyl Liganden \textit{4-bipy}, \textit{4-bpe} und \textit{4-bpa} formen mit den Antimon(III)- und Bismut(III)halogeniden die sublimierbaren, doppelsträngigen CPs $^{\ 1}_\infty$[E$_2$X$_6$(\textit{L})$_2$] (E: Sb, Bi; X: Cl, Br, I; L: \textit{4-bipy}, \textit{4-bpe}, \textit{4-bpa}; \textbf{1}-\textbf{6}, \textbf{8}-\textbf{15}) sowie $^{\ 1}_\infty$[SbCl$_3$(\textit{4-bipy})] (\textbf{7}). In den CPs \textbf{1}-\textbf{6}, \textbf{8}-\textbf{15} erfolgt die Verknüpfung der E$^{3+}$-Kationen nicht nur über die organischen Liganden, sondern auch über die Halogenidoliganden. Eine ähnliche Art der Verknüpfung tritt in den CPs $^{\ 3}_\infty[$Bi$_2$Br$_6$(\textit{4-tcpt})] (\textbf{26}) und $^{\ 2}_\infty[$Bi$_2$Br$_6$(\textit{pyz})] (\textbf{32}) auf, während in $^{\ 1}_\infty[$BiX$_3$(\textit{4-cypy})$_2$] (X: Cl, Br; \textbf{16}, \textbf{17}) die Verknüpfung sogar ausschließlich über die Halogenidoliganden erfolgt. Umsetzungen der Halogenide mit \textit{4-tpt} führen zur Ausbildung verschiedener Koordinationspolymere. Während mit den Iodiden sowohl die CPs $^{\ 1}_\infty[$EI$_3$(\textit{4-tpt})] (E: Sb, Bi; \textbf{22}, \textbf{23}), als auch $^{\ 2}_\infty[$E$_4$I$_{12}$(\textit{4-tpt})$_2$] (E: Sb, Bi; \textbf{24}, \textbf{25}) zugänglich sind, reagieren die Chloride und Bromide zu $^{\ 2}_\infty[$EX$_3$(\textit{4-tpt})] (E: Sb , Bi; X: Cl, Br; \textbf{18}-\textbf{21}). Aus dem CP $^{\ 1}_\infty[$SbCl$_3$(\textit{pyz})] (\textbf{29}), das quadratische \{SbCl$_3$N$_2$\}-Pyramiden enthält, kann durch Erhitzen das höher vernetzte $^{\ 3}_\infty[$Sb$_2$Cl$_6$(\textit{pyz})$_3$] (\textbf{30}) mit oktaedrischer Sb$^{3+}$-Koordination in einer Kondensationsreaktion dargestellt werden. Eine verwandte Struktur wurde auch für die iodidhaltige Verbindung $^{\ 3}_\infty[$Sb$_2$Cl$_6$(\textit{pyz})$_3$] (\textbf{31}) beobachtet werden. Die Untersuchung der Lumineszenzeigenschaften der synthetisierten Koordinationspolymere ergab, dass die breitbandigen Anregungsprozesse in den Sb- und Bi-CPs durch metal-to-ligand charge-transfer (MLCT) Prozesse hervorgerufen werden. Für die Emission stellen ligand-to-metal charge-transfer (LMCT) Übergänge von ligandzentrierten Zustände in die elektronischen Grundzustände an den anorganischen Koordinationseinheiten und inter-valence charge-transfer (IVCT) Prozesse in E$^{3+}$-Paaren die bedeutendsten Prozesse dar. Darüber hinaus konnte in einigen CPs aber auch ligandbasierte Fluoreszenz \bzw Phosphoreszenz beobachtet werden. Die Intensität der Lumineszenz ist erheblich von den enthaltenen Halogenidoliganden abhängig (Cl>Br>I), weshalb für iodidhaltige Verbindungen keine Lumineszenz beobachtet werden konnte. Darüber hinaus wurden vier lanthanoidhaltige Koordinationspolymere der Zusammensetzung $\beta$-$^{\ 1}_\infty[$Bi$_{2-x}$Ln$_x$Cl$_6$(\textit{4-bipy})$_2$] (Ln: Ce, Eu, Tb, Eu/Tb; \textbf{41:Ln}) hergestellt. Dadurch konnte die hervorragende Eignung bismutbasierter Koordinationspolymere als Wirtsverbindungen für Ln$^{3+}$-Kationen nachgewiesen werden. In diesen Verbindungen führt die Anregung des Wirtsgitters über einen Energietransfer zu den charakteristischen Eu$^{3+}$- und Tb$^{3+}$-Emissionen. Die Anwesenheit von Ce$^{3+}$ führt hingegen zu einer deutlichen Intensitätssteigerung der Lumineszenz der Wirtsverbindung. Somit sind auf diese Weise effiziente Phosphore mit variablen Lumineszenzfarben zugänglich. Insgesamt konnten im Rahmen dieser Arbeit zahlreiche neue Sb- und Bi-basierte Koordinationsverbindungen mit N-Donor Liganden dargestellt werden und neue Erkenntnisse über ihre strukturellen Eigenschaften und Photolumineszenzeigenschaften erhalten werden. / Within the scope of this thesis the structures of 32 new coordination polymers (CPs) and eight new complexes constructed from antimony- and bismuthhalides could be identified. 26 of these CPs could be completely characterised by diffractometric, spectroscopic and thermal analytical methods. The main goal of this thesis was to investigate the structural properties as well as the photoluminescence properties of antimony- and bismuth-based coordination polymers. The bis- and trispyridyls 4,4'-bipyridine (\textit{4-bipy}), 1,2-bis(4-pyridyl)ethene (\textit{4-bpe}), 1,2-bis(4-pyridyl)ethane (\textit{4-bpa}) and 2,4,6-tris(4-pyridyl)triazine (\textit{4-tpt}), the aromatic nitriles 4-cyano-pyridine (\textit{4-cypy}) and 2,4,6-tris(4-cyanophenyl)triazine (\textit{4-tcpt}) as well as the heterocycles pyrazine (\textit{pyz}) and thiazole (\textit{thz}) were used as organic ligands together with SbX$_3$ and BiX$_3$ for the synthesis of the coordination compounds. Various synthetic routes were investigated to allow the coordination of the organic ligands. Thereby, a variety of structures could be obtained ranging from complexes over one-dimensional strands and two-dimensional layers to three-dimensional networks. An octahedral coordination was observed to be preferred by both Bi$^{3+}$ and Sb$^{3+}$. Square pyramidal and tetrahedral coordination spheres have been discovered for antimony as well illustrating the stronger tendency of the antimony lone-pair for sterical interactions with the ligands, when compared to the bismuth lone pair. The bispyridyl-ligands \textit{4-bipy}, \textit{4-bpe} and \textit{4-bpa} form the double-stranded CPs $^{\ 1}_\infty$[E$_2$X$_6$(\textit{L})$_2$] (E: Sb, Bi; X: Cl, Br, I; L: \textit{4-bipy}, \textit{4-bpe}, \textit{4-bpa}; \textbf{1}-\textbf{6}, \textbf{8}-\textbf{15}) and $^{\ 1}_\infty$[SbCl$_3$(\textit{4-bipy})] (\textbf{7}) with antimony(III)- and bismuth(III)halides. The E$^{3+}$-cations are interconnected by the organic ligands as well as the halogenidoligands in the CPs \textbf{1}-\textbf{6}, \textbf{8}-\textbf{15}. A similar interconnection can be observed in $^{\ 3}_\infty[$Bi$_2$Br$_6$(\textit{4-tcpt})] (\textbf{26}) and $^{\ 2}_\infty[$Bi$_2$Br$_6$(\textit{pyz})] (\textbf{32}), while the E$^{3+}$-cations in $^{\ 1}_\infty[$BiX$_3$(\textit{4-cypy})$_2$] (X: Cl, Br; \textbf{16}, \textbf{17}) are solely interconnected by the halogenidoligands. By reaction of the halides with \textit{4-tpt} different coordination polymers can be obtained. While the iodides form the CPs $^{\ 1}_\infty[$EI$_3$(\textit{4-tpt})] (E: Sb, Bi; \textbf{22}, \textbf{23}) and $^{\ 2}_\infty[$E$_4$I$_{12}$(\textit{4-tpt})$_2$] (E: Sb, Bi; \textbf{24}, \textbf{25}), reactions of the chlorides and bromides lead to $^{\ 2}_\infty[$EX$_3$(\textit{4-tpt})] (E: Sb , Bi; X: Cl, Br; \textbf{18}-\textbf{21}). The coordination polymer $^{\ 1}_\infty[$SbCl$_3$(\textit{pyz})] (\textbf{29}) contains square \{SbCl$_3$N$_2$\}-pyramids and reacts to the three-dimensional coordination polymer $^{\ 3}_\infty[$Sb$_2$Cl$_6$(\textit{pyz})$_3$] (\textbf{30}) in a condensation reaction when heated. \textbf{30} features \textit{fac}-\{SbCl$_3$N$_3$\}-octahedra linked in all three dimensions by the organic ligands. A closely related structure could be discovered for the iodide-containing compound $^{\ 3}_\infty[$Sb$_2$Cl$_6$(\textit{pyz})$_3$] (\textbf{31}). Investigations of the photoluminescence properties of the presented cooridnation polymers showed that broad-banded excitation processes of the Sb- and Bi-CPs are due to metal-to-ligand charge-transfer (MLCT) transistions. Ligand-to-metal charge-transfer (LMCT) from ligand-centred electronic states to the electronic ground-state at the inorganic coordination units and inter-valence charge-transfer transistions in E$^{3+}$-pairs are the most important emission processes. Moreover, ligand-based fluorescence or phosphorescence could be observed in some CPs as well. The luminescence intensity is depending on the nature of the halogenido-ligands significantly (Cl>Br>I). Hence, no lumescence could be observed for compounds containing iodide at all. Additionally, the four lanthanide-containing CPs $\beta$-$^{\ 1}_\infty[$Bi$_{2-x}$Ln$_x$Cl$_6$(\textit{4-bipy})$_2$] (Ln: Ce, Eu, Tb, Eu/Tb; \textbf{41:Ln}) were synthesized in the scope of this thesis, which establish Bi-CPs as remarkable hosts for Ln$^{3+}$-cations. In these compounds the excitation of the bismuth-based host-network leads to the characteristic luminescence of the Eu$^{3+}$- and Tb${3+}$-cations by an energy transfer. However, the presence of Ce$^{3+}$ leads to a significant increase in intensity of the host-luminescence. Hence, efficient phosphors with customizable luminescence-colours can be obtained via this approach. Alltogether various new Sb- and Bi-based coordination compounds featuring N-donor-ligands could be obtained during this work. This allowed for new insights in their structural properties as well as their photoluminescence properties.

In der vorliegenden Arbeit wurden Diorganobismut-Spezies hinsichtlich ihrer Eigenschaften als Liganden in Übergangsmetallkomplexen, ihrer Lewis-Azidität, ihrer Eignung als Katalysatoren und die Generierung niedervalenter Spezies untersucht. / In this work, neutral and cationic diorganobismuth species have been studied, focusing on the rationalization of their Lewis acidity, their use as ligands in complexes of main group and transition metals and the identification of active catalysts.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von Bismut- und Neodymsilanolaten beschrieben. Durch partielle Hydrolyse ausgewählter Bismutsilanolate konnten neue Bismut-oxo-cluster synthetisiert werden. Die Darstellung von heterometallischen Bismut-Neodym-oxo-clustern ausgehend von Bismut- und Neodymsilanolaten wurde untersucht, ergaben jedoch keine definierten Cluster. Das Thermolyseverhalten der Silanolate und Oxo-cluster wurde beschrieben und die erhaltenen Zersetzungsprodukte charakterisiert. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Koordinationspolymere von Bismuthalogeniden mit Phosphonsäureestern synthetisiert. Die so erhaltenen ein- und zweidimensionalen Koordinationspolymere wurde in Hinsicht auf ihr Verhalten unter thermischer Belastung untersucht. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit lag auf der strukturellen Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen insbesondere durch Einkristallröntgenstrukturanalysen. Weiter Methoden wie NMR-Spektroskopie in Lösung und im Festkörper, DTA-TG, IR-Spektroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie wurden zur Charakterisierung zur Hilfe genommen. / The present thesis deals with the synthesis of bismuth- and neodym silanolates. The partial hydrolysis of selected bismuth silanolates gave a series of novel bismuth-oxo-clusters. The synthesis of heterometallic bismuth-neodymium-oxo-clusters starting from bismuth- and neodymium silanolates has been assayed but did not give defined clusters. In addition the behavior of the silanolates and oxo-clusters towards thermal decomposition has been studied and the decomposition products have been characterized. In the second part of this work the synthesis of coordination polymers starting from bismuth halides and phosphonic acid esters is presented. Several one- and two-dimensional coordination polymers have been synthesized, structurally characterized and analyzed with respect to their thermally induced decomposition. The main focus of this work was to characterize the novel compounds in particular by single crystal X-ray diffraction analysis. Aditionally, NMR spectroscopy in solution and the solid state, DTA-TG, IR spectroscopy, powder X-ray diffraction and SEM-EDX have been used for the characterization of the products.

In the framework of this thesis, the structural and electronic properties of bismuth and lead deposited on Ag(111) have been investigated by means of low-temperature scanning tunneling microscopy (LT-STM) and spectroscopy (STS). Prior to spectroscopic investigations the growth characteristics have been investigated by means of STM and low energy electron diffraction (LEED) measurements. Submonolayer coverages as well as thick films have been investigated for both systems. Subsequently the quantum well characteristics of thick Pb films on Ag(111) have been analyzed and the quantum well character could be proved up to layer thicknesses of N ≈ 100 ML. The observed characteristics in STS spectra were explained by a simple cosine Taylor expansion and an in-plane energy dispersion could be detected by means of quasi-particle interferences. The main part of this work investigates the giant Rashba-type spin-split surface alloys of (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ and (√3 × √3)Bi/Ag(111)R30◦. With STS experiments the band positions and splitting strengths of the unoccupied (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ band dispersions could be resolved, which were unclear so far. The investigation by means of quasi-particle interferences resulted in the observation of several scattering events, which could be assigned as intra- and inter-band transitions. The analysis of scattering channels within a simple spin-conservation–approach turned out to be incomplete and led to contradictions between experiment and theory. In this framework more sophisticated DFT calculations could resolve the apparent deviations by a complete treatment of scattering in spin-orbit–coupled materials, which allows for constructive interferences in spin-flip scattering processes as long as the total momentum J_ is conserved. In a similar way the band dispersion of (√3 × √3)Bi/Ag(111)R30◦ was investigated. The STS spectra confirmed a hybridization gap opening between both Rashba-split bands and several intra- and inter-band scattering events could be observed in the complete energy range. The analysis within a spin-conservation–approach again turned out to be insufficient for explaining the observed scattering events in spin-orbit–coupled materials, which was confi by DFT calculations. Within these calculations an inter-band scattering event that has been identified as spin-conserving in the simple model could be assigned as a spin-flip scattering channel. This illustrates evidently how an incomplete description can lead to completely different indications. The present work shows that different spectroscopic STM modes are able to shed light on Rashba-split surface states. Whereas STS allowed to determine band onsets and splitting strengths, quasi-particle interferences could shed light on the band dispersions. A very important finding of this work is that spin-flip scattering events may result in constructive interferences, an eff which has so far been overlooked in related publications. Additionally it has been found that STM measurements can not distinguish between spin-conserving scattering events or spin-flip scattering events, which prevents to give a definite conclusion on the spin polarization for systems with mixed orbital symmetries just from the observed scattering events. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Bismut und Blei bedampften Ag(111) Oberflächen mittels Tieftemperatur-Rastertunnelmi- kroskopie und -spektroskopie untersucht. Im Vorfeld zur Untersuchung der elektronischen Struktur wurde das Wachstumsverhalten sowohl von Bismut als auch Blei auf Ag(111) für Submonolagen und dicke Filme untersucht. Als komplementäre Messmethode wurden hierbei auch LEED Messungen herangezogen. Im Anschluss an die strukturellen Untersuchungen wurden die elektronischen Eigenschaften von dicken Bleifilmen auf Ag(111) untersucht. Der Quantentrogcharakter konnte hier- bei deutlich für sehr dicke Filme von bis zu 100 Monolagen nachgewiesen werden. Die beobachteten STS Spektren wurden im Rahmen einer Cosinus-Taylorentwicklung erläutert und erklärt. Eine Dispersion parallel zur Oberfläche konnte mittels Quasiteilcheninterferenz nachgewiesen werden. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigte sich mit den Legierungsoberflächen der (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ und (√3 × √3)Bi/Ag(111)R30◦ Strukturen, welche über eine außer- gewöhnlich starke Rashba Aufspaltung verfügen. Zunächst wurde die Bandstruktur der (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ Oberfläche aufgeklärt, welche aufgrund ihrer energetischen Lage weit oberhalb des Ferminiveaus für ARPES Messungen nicht zugänglich ist und darum bisher ungeklärt blieb. Zur Untersuchung der Banddispersionen wurden Quasiteilcheninterferenzexperimente durchgeführt, durch die mehrere Intra- und Interbandstreuprozesse identifiziert werden konnten. Die Analyse der Streuprozesse hinsichtlich der Spinpolarisationen der beteiligten Bänder in einem einfachen spinerhaltenden Ansatz führte zu einem Widerspruch zwischen experimentell beobachteten Streuprozessen und theoretisch vorhergesagten Spinpolarisationen. In diesem Zusam- menhang konnten neue DFT Rechnungen, die einen vollständigeren Ansatz verfolgten, zeigen, dass dieser Widerspruch gelöst werden konnte, indem anstelle eines spinerhaltenden Ansatzes die Erhaltung des Gesamtdrehimpulses J_ gefordert wurde. Anschließend wurde die Banddispersion der isostrukturellen (√3 × √3)Bi/Ag(111)R30◦- Oberfläche in ähnlicher Weise untersucht. Die STS-Daten bestätigten die Existenz einer Hybridisierungslücke zwischen den beiden Rashba-aufgespaltenen spz und px, py Bändern. Die im gesamten Energiebereich der Bänder beobachteten Intra- und Interbandübergänge konnten ähnlich zur Untersuchung auf der (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ nicht im Rahmen eines spinerhaltenden Ansatz zufriedenstellend erklärt werden, sondern nur unter Erhaltung des Gesamdtrehimpulses J_. Es konnte sogar gezeigt werden, dass ein Interbandübergang, der im vereinfachten Modell als spinerhaltend identifziert wurde, in der vollständigeren Betrachtung einem Spinflipstreuereignis zugeordnet werden konnte. Dies zeigt deutlich, dass eine unvollständige Betrachtung mitunter zu völlig verschiedenen Interpretationen führen kann. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass es möglich ist Rashba-aufgespaltene Oberflächen mittels verschiedener spektroskopischer STM Messmodi zu untersuchen. Punktspektren erlauben aufgrund des charakteristischen Signals eines Rashba-aufgespaltenen Zustandes Aussagen über Bandmaxima und Aufspaltungen zu ermitteln. In günstigen Fällen ist es mittels Quasiteilcheninterferenz möglich die unverschobenen Banddispersionen abzubilden. Die Interpretation von Quasiteilcheninterferenzen wurde bisher stets im einfachen spiner- haltenden Bild durchgeführt und in diesem Zusammenhang ist ein sehr wichtiger Aspekt dieser Arbeit die Erkenntnis, dass auch Spinflip-Streuungen zu konstruktiven Interferenzen führen können. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass es mittels Quasiteilcheninterferenz nicht möglich ist zu unterscheiden, ob der zugrunde liegende Streuvorgang einem spin- erhaltenden oder Spinflip-Übergang zuzuordnen ist. Diese Tatsache verhindert, dass in Systemen mit gemischter orbitaler Symmetrie sichere Aussagen über Spinpolarisationen anhand der experimentell beobachteten Streuereignisse getroffen werden können.

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.