Stuttgart, Univ., Diss., 2000.

Dresden, Techn. Univ., Diss., 2002.

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2010.

Universiẗat, Diss., 2004--München.

Techn. University, Diss., 2000--Dresden.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Techn. University, Diss., 2004--Dresden.

Techn. University, Diss., 2003--Dresden.

The present thesis describes the development of a strategy to create discrete finite-sized supramolecular stacks of merocyanine dyes. Thus, bichromophoric stacks of two identical or different chromophores could be realized by folding of bis(merocyanine) dyes and their optical properties were discussed in terms of exciton theory. Quantum chemical calculations revealed strong exciton coupling between the chromophores within the homo- and hetero-π-stacks and the increase of the J-band of the hetero-dimers with increasing energy difference between the excited states of the chromophores could be attributed not only to the different magnitudes of transition dipole moments of the chromophores but also to the increased localization of the excitation in the respective exciton state. Furthermore, careful selection of the length of the spacer unit that defines the interplanar distance between the tethered chromophores directed the self-assembly of the respective bis(merocyanines) into dimers, trimers and tetramers comprising large, structurally precise π-stacks of four, six or eight merocyanine chromophores. It could be demonstrated that the structure of such large supramolecular architectures can be adequately elucidated by commonly accessible analysis tools, in particular NMR techniques in combination with UV/vis measurements and mass spectrometry. Supported by TDDFT calculations, the absorption spectra of the herein investigated aggregates could be explained and a relationship between the absorption properties and the number of stacking chromophores could be established based on exciton theory. / Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Strategie zur Herstellung definierter supramolekularer Stapel aus Merocyaninfarbstoffen. So konnten Dimere bestehend aus zwei identischen oder unterschiedlichen Chromophoren durch Faltung von Bis(merocyanin)-Farbstoffen realisiert und ihre optischen Eigenschaften anhand von Exzitonentheorie diskutiert werden. Quantenchemische Rechnungen ergaben eine starke Exzitonenkopplung sowohl zwischen gleichartigen, als auch zwischen energetisch unterschiedlichen Merocyaninfarbstoffen und der Anstieg der J-Bande der Heterodimere mit zunehmender Energiedifferenz zwischen den angeregten Zuständen der Chromophore konnte nicht nur der unterschiedlichen Größe der Übergangsdipolmomente der Chromophore, sondern auch der zunehmenden Lokalisation der Anregung im jeweiligen Exzitonenzustand zugeschrieben werden. Darüber hinaus führte die sorgfältige Auswahl der Länge der Linkereinheit, welche den interplanaren Abstand zwischen den beiden Chromophoren im Bis(merocyanin) definiert, zur Selbstassemblierung zu Dimeren, Trimeren und Tetrameren, welche definierte π-Stapel bestehend aus vier, sechs oder acht Merocyaninchromophoren umfassen. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur solch großer supramolekularer Architekturen mittels allgemein zugänglicher Analyseverfahren, insbesondere der NMR-Technik in Kombination mit UV/vis-Messungen und Massenspektrometrie, aufgeklärt werden kann. Anhand der so etablierten Modellsysteme konnten schließlich die Absorptionseigenschaften definierter π-Stapel diskutiert und ein Zusammenhang mit der Anzahl der gestapelten Chromophore hergestellt werden.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Exzitonendynamik molekularer Aggregate, die nach Mehrphotonen-Anregung auf ultrakurzer Zeitskala stattfindet. Hierbei liegt der Fokus auf der Charakterisierung der Exziton-Exziton-Annihilierung (EEA) mithilfe von zweidimensionaler optischer Spektroskopie fünfter Ordnung. Dazu werden zwei verschiedene Modellsysteme implementiert: Das elektronische Homodimer und das elektronische Homotrimer-Modell, wobei Letzteres eine Erweiterung des Dimer-Modells darstellt. Die Kopplung des quantenmechanischen Systems an die Umgebung wird mithilfe des Quantum-Jump-Ansatzes umgesetzt. Besonderes Interesse kommt der Analyse des Signals fünfter Ordnung in Abhängigkeit der Populationszeit T zu. Anhand des Dimer-Modells als kleinstmögliches Aggregat lassen sich bereits gute Vorhersagen auch über das Verhalten größerer molekularer Aggregate treffen. Der Zerfall des oszillierenden Signals für lange Populationszeiten korreliert mit der EEA. Dies zeigt, dass die zweidimensionale optische Spektroskopie genutzt werden kann, um den Annihilierungsprozess zu charakterisieren. Innerhalb des Modells des Dimers wird weiterhin der Einfluss der Intraband-Relaxation untersucht. Zunehmende Intraband-Relaxation verhindert den Austausch zwischen den lokalen Zuständen, der essentiell für den Annihilierungsprozess ist, und die EEA wird blockiert. Das elektronische Trimer-Modell erweitert das Dimer-Modell um eine Monomereinheit. Somit befinden sich die Exzitonen im Anschluss an die Anregung nicht mehr unvermeidlich nebeneinander. Es gibt somit eine Konfiguration, bei der sich die Exzitonen zunächst zueinander bewegen müssen, bevor die Startbedingung des Annihilierungsprozesses gegeben ist. Dieser zusätzliche Schritt wird auch Exzitonendiffusion genannt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass das erwartete Verhalten nur zu sehr kurzen Zeiten im Femtosekundenbereich auftritt und somit die Zeitskala der Exzitonendiffusion im Falle des Trimers nicht sichtbar wird. Es bedarf demnach eines größeren Modellsystems, bei dem sich der Effekt der zeitverzögert eintretenden EEA deutlich in der Zerfallsdynamik manifestieren kann. / This work addresses the exciton dynamics of molecular aggregates which occur after femtosecond multi-photon laser excitation. Thereby, the focus is on the characterization of exciton-exciton annihilation (EEA) via fifth order two dimensional optical spectroscopy. Two model systems are employed: the electronic homodimer model and the electronic homotrimer model, where the latter one is an extension of the dimer system. The systems are coupled to the surrounding. In the numerical calculation, the system-bath interaction is realized via the quantum jump approach. Particular attention is payed to energy-integrated spectra as a function of the population time T. The dimer is the smallest molecular aggregate, but it is a good reference system if larger aggregates are supposed to be understood. The decay of the oscillating fifth-order signal corresponds to the EEA. This indicates that two dimensional optical spectroscopy can be used to monitor the annihilation process. Furthermore, the effect of intraband relaxation is studied within the dimer model. The results display that increasing the intraband relaxation inhibits the population transfer between the localized states of the system. This blocks the EEA. In extending the dimer model system by one monomer unit, one obtains the electronic trimer model system. Within this model, the situation after excitation differs from the one in the dimer model. The excitons do not exclusively reside next to each other so that EEA is immediately possible. In that case, the excitons have to diffuse to each other before they eventually meet and the annihilation process starts. The results suggest that the expected properties are merely correct at very short times around a few femtoseconds. Within the trimer model, the additional time scale for the exciton diffusion doesn't show in the results. In particular, it requires a larger model system for the effect of the delayed EEA to be seen in the regarded signal.