Das wissenschaftliche Ziel der Arbeit ist die Untersuchung von optischen und chemischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Teilchen im besonderen Fullerene bei hohen Temperaturen. Die Arbeit behandelt im Detail den Aufbau und die Charakterisierung einer Messapparatur zur Untersuchung von Fulleren-Kationen. Nach einer kurzen Einführung zum Thema und einer Beschreibung des Aufbaus der Arbeit beginnt diese mit der Charakterisierung der Apparatur als Ganzes und ihrer Elemente. Dazu gehört die weiterentwickelte Sublimationsionenquelle, der Quadrupolspeicher und der Ionendetektor. Es werden eingehende Messungen zur Speicherung und zum Nachweis der absoluten Zahl von gespeicherten Ionen vorgestellt. Weiterhin wird das optische Nachweissystem bezüglich der Sammelleistung und des Empfindlichkeit eingehend untersucht. Nach der Einführung in die Apparatur wird die Verteilung der Ionen im Speicher näher beleuchtet und gezeigt, dass ein optischer Nachweis der Zahl gespeicherter Ionen möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es gelingt die kinetische Temperatur der Ionen im Speicher, durch die geometrische Vermessung der Ionenverteilung zu bestimmen. Im weiteren wird auf die thermische Emission heißer C60+ näher eingegangen. Dazu wird ein klassisches dielektrisches Modell zur thermischen Emission vorgestellt. Es werden Messprinzipien zur Temperaturbestimmung der lasergeheizten Ionen erörtert und Messungen zur Temperatur des Ionenensembles präsentiert. Weiterhin werden Messungen zum C2-Verlust von C60+ als Funktion der Temperatur vorgestellt. Die experimentell ermittelte Aktivierungsenergie der C2-Verlustreaktion mit Ea = 2,3...5,4eV zeigt deutliche Abweichungen zu bekannten Literaturwerten. Die Ergebnisse dieser Messung werden mit einer nummerischen Simulation zur Energieverteilung im Ionenensemble diskutiert. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf weitere experimentelle Möglichkeiten der Messmethode. Ersetzt durch neues Dokument, wegen URL auf Titelseite. / The scientific goal of this work is the study of optical and chemical properties of carbon containing particles especially fullerenes at high temperatures. This work covered the construction and characterization of the measuring apparatus for the investigation of fullerene cations. It follows a characterization of the apparatus and its elements after a short introduction and a description of the structure of this work. This involved the further developed sublimation ion source, the quadrupole trap and the ion detections system. Extensive measurements of the ion trapping and the proof of the absolute number of trapped ions are presented. Further on the optical detections system is characterized in depth regarding the collection efficiency and sensitivity. After the introduction in the apparatus the distribution of the ions inside the trap is closer examined. The possibility of the optical detections of the number of trapped ions is shown. Additionally it is pointed out that the kinetic temperature of the ions can be extracted by geometrical measurement of the ion distribution. Further on it is enlarged on the thermal emission of hot C60. For this a classical dielectric model for the thermal emission is presented. Measuring principals of the temperature determination of laser heated ions are discussed and temperature measurements of the ion ensemble are presented. Measurements of the C2-loss as function of the temperature are presented. The results of the extracted activation energy of Ea = 2.3...5.4eV for the C2-loss reaction of C60+ shows a discrepancy to literature results. The results of this measurements are discussed with help of an numerical simulation of the internal energy distribution of the ion ensemble. This work closes with a summery and an outlook of further experimental potentialities of the measuring method. Replaced by new document, because of URL on the title page.

Das wissenschaftliche Ziel der Arbeit ist die Untersuchung von optischen und chemischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Teilchen im besonderen Fullerene bei hohen Temperaturen. Die Arbeit behandelt im Detail den Aufbau und die Charakterisierung einer Messapparatur zur Untersuchung von Fulleren-Kationen. Nach einer kurzen Einführung zum Thema und einer Beschreibung des Aufbaus der Arbeit beginnt diese mit der Charakterisierung der Apparatur als Ganzes und ihrer Elemente. Dazu gehört die weiterentwickelte Sublimationsionenquelle, der Quadrupolspeicher und der Ionendetektor. Es werden eingehende Messungen zur Speicherung und zum Nachweis der absoluten Zahl von gespeicherten Ionen vorgestellt. Weiterhin wird das optische Nachweissystem bezüglich der Sammelleistung und des Empfindlichkeit eingehend untersucht. Nach der Einführung in die Apparatur wird die Verteilung der Ionen im Speicher näher beleuchtet und gezeigt, dass ein optischer Nachweis der Zahl gespeicherter Ionen möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es gelingt die kinetische Temperatur der Ionen im Speicher, durch die geometrische Vermessung der Ionenverteilung zu bestimmen. Im weiteren wird auf die thermische Emission heißer C60+ näher eingegangen. Dazu wird ein klassisches dielektrisches Modell zur thermischen Emission vorgestellt. Es werden Messprinzipien zur Temperaturbestimmung der lasergeheizten Ionen erörtert und Messungen zur Temperatur des Ionenensembles präsentiert. Weiterhin werden Messungen zum C2-Verlust von C60+ als Funktion der Temperatur vorgestellt. Die experimentell ermittelte Aktivierungsenergie der C2-Verlustreaktion mit Ea = 2,3...5,4eV zeigt deutliche Abweichungen zu bekannten Literaturwerten. Die Ergebnisse dieser Messung werden mit einer nummerischen Simulation zur Energieverteilung im Ionenensemble diskutiert. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf weitere experimentelle Möglichkeiten der Messmethode. / The scientific goal of this work is the study of optical and chemical properties of carbon containing particles especially fullerenes at high temperatures. This work covered the construction and characterization of the measuring apparatus for the investigation of fullerene cations. It follows a characterization of the apparatus and its elements after a short introduction and a description of the structure of this work. This involved the further developed sublimation ion source, the quadrupole trap and the ion detections system. Extensive measurements of the ion trapping and the proof of the absolute number of trapped ions are presented. Further on the optical detections system is characterized in depth regarding the collection efficiency and sensitivity. After the introduction in the apparatus the distribution of the ions inside the trap is closer examined. The possibility of the optical detections of the number of trapped ions is shown. Additionally it is pointed out that the kinetic temperature of the ions can be extracted by geometrical measurement of the ion distribution. Further on it is enlarged on the thermal emission of hot C60. For this a classical dielectric model for the thermal emission is presented. Measuring principals of the temperature determination of laser heated ions are discussed and temperature measurements of the ion ensemble are presented. Measurements of the C2-loss as function of the temperature are presented. The results of the extracted activation energy of Ea = 2.3...5.4eV for the C2-loss reaction of C60+ shows a discrepancy to literature results. The results of this measurements are discussed with help of an numerical simulation of the internal energy distribution of the ion ensemble. This work closes with a summery and an outlook of further experimental potentialities of the measuring method.

Endohedral fullerenes are closed carbon shells encapsulating molecular or ionic species in their inner space. Obtained for the first time in 1985, endohedral metallofullerenes (EMFs) remain in focus of research for many years with a broad variety of metal atoms, endohedral cluster and cage sizes being reported. Electrochemical studies of endohedral metallofullerenes are of particular interest because of the more complex redox behavior in comparison to empty fullerenes. The EMF molecules can be considered as a combinations of positively charged cluster and negatively charged carbon shell “ligand”, and both constituents can be redox active. A cage-based electrochemical activity is more common, in particular, the most abundant nitride clusterfullerenes generally have redox-active cages. Cluster-based electrochemical activity is less common and can be revealed via unexpected redox behavior (e.g., shifted potential when compared to analogous molecules, potential metal dependence) and with the use of spectroscopic methods. Here we report electrochemical and EPR studies of three EMF families: (i) M2@C82-C3v and M2@C82-Cs dimetallofullerenes with a covalent bonding between two metal atoms, (ii) M2@C80(CH2Ph) dimetallofullerene derivatives with single-occupied metal-bonding orbital, and (iii) M2TiC@C80 EMFs with endohedral Ti(IV) (M is either Sc or Y or a lanthanide). For the first two families, the metal-metal bonding orbital has been found to be redox active: in M2@C82, the double-occupied M-M bonding orbital is involved in the first oxidation process, while in M2@C80(CH2Ph) the unoccupied component of single-occupied metal-bonding orbital acts as the LUMO, accepting one electron during the first reduction step. Thus, single electron transfer reactions in both cases lead to the changes in the magnetic properties of EMFs, which is especially well revealed by EPR spectroscopy. For the series of M2TiC@C80 EMFs, the first reduction predominantly occurs on internal Ti atom and can be described as TiIV/TiIII redox process. Due to the variation of the size of the Ti ion in different oxidation states, reduction changes the inner strain of the cluster, leading to a large variability of the TiIV/TiIII reduction potential in dependence on the size of the formally inert lanthanide metal in M2TiC@C80.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und der Diamantoberfläche. Es werden jeweils zwei der genannten Materialien kombiniert und im Hinblick auf die dadurch entstehenden magnetischen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Durch die Füllung von Fullerenen in CNTs mit entsprechenden Durchmessern ergibt sich eine eindimensionale Anordnung der Fullerene. Diese Strukturen werden als peapods bezeichnet. Bei der Verwendung von endohedralen, magnetischen Fullerenen ergibt sich durch die Einschränkung der Dimension die Möglichkeit einer wohl-definierten Kopplung und dadurch eine mögliche Änderung der magnetischen Eigenschaften. Die hier betrachteten Moleküle sind die paramagnetischen Fullerene N@C60 und Er3N@C80 sowie das ferromagnetische Dy2ScN@C80-Fulleren, welches auch als ein Einzelmolekülmagnet (SMM) bezeichnet wird. Für die Herstellung von peapods wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Füllanlage aufgebaut, welche die speziellen Anforderungen der Fullerene berücksichtigt und mit der auch CNTs auf Substraten gefüllt werden können. Der Erfolg der Füllung wird mit hochauflösender Transmisssions-Elektronenmikroskopie (HRTEM), energiedispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX) und optischer Emissions- Spektrometrie (OES) überprüft. Durch weitergehende Untersuchungen im HRTEM konnte eine Reaktion von metallischen Atomen aus den Fullerenen innerhalb der CNTs zu neuen, metallischen Clustern beobachtet werden. Für die Untersuchungen möglicher Änderungen der magnetischen Eigenschaften sind magnetische Messungen notwendig. Diese können mit der Methode des magnetischen zirkularen Röntgendichroismus (XMCD) durchgeführt werden. Für das Ziel von nanoskopischen XMCD-Messungen einzelner peapods wurden Rastertransmissions- Röntgenmikroskopie-Messungen (STXM) am Synchrotron durchgeführt. Diese wurden mit HRTEM-Messungen derselben Probenpositionen korreliert, um die spektroskopische mit der räumlichen Auflösung zu verknüpfen. Dabei konnte ein Röntgenabsorptions- Spektrum von einem dünnen peapod-Bündel gemessen werden. Zusätzlich wurde mit makroskopischen XMCD-Messungen von Er3N@C80-Fullerenen, gefüllt in CNTs, gezeigt, dass diese Methode auch für peapods anwendbar ist. Erste XMCDMessungen von ferromagnetischen Dy2ScN@C80-Fullerenen zeigen eine deutliche Änderung der magnetischen Eigenschaften durch die eindimensionale Anordnung in CNTs. Im Zusammenhang mit der eindimensionalen Anordnung von paramagnetischen Fullerenen wurde außerdem ein Konzept eines Quantenregisters betrachtet, welches auf N@C60- peapods basiert. Diese sollen dabei auf eine Diamantoberfläche deponiert werden, um oberflächennahe Stickstoff-Fehlstellen-Zentren zum Auslesen der Spinzustände der N@C60- Fullerene verwenden zu können. Die in diesem Fall auftretende elektronische Wechselwirkung zwischen unterschiedlich terminierten Diamantoberflächen und CNTs sowie Fullerenen wurde mit Kelvinsonden-Mikroskopie- Messungen (KPFM) untersucht. Dabei wurde erstmalig ein Elektronentransfer von der wasserstoffterminierten Diamantoberfläche in CNTs experimentell nachgewiesen, während dieser bei Sauerstoffterminierung nicht beobachtet wurde. Die präsentierten Messungen geben Auskunft über den auftretenden Ladungstransfer, indem Ladungen in C60- Fullerenen und CNTs lokal aufgelöst abgebildet werden. Zusammenfassend können die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse helfen, zukünftige Bauelemente von klassischen Computern oder Quantencomputern, basierend auf niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien, zu entwickeln.

Artificial photosynthesis is the process, which mimics the natural photosynthesis process in order to convert solar energy to chemical energy. This process can be separated into four parts, which are antenna system, reaction center, water oxidation center, and proton reduction center. If we only focus on the ‘antenna system and reaction center' modules, expanding the absorption band in antenna system and generating long-lived charge separated state in reaction center are two fantastic strategies to design the molecules in order to improve the efficiency of the artificial photosynthesis process. In the first work of this dissertation, mono-18-crown-6 and mono-ammonium binding strategy was used to connect BODIPY- C60 supramolecular based donor–acceptor conjugates. The meso- position of BODIPY was modified by benzo-18-crown-6, and the 3, 5 methyl positions were replaced by two styryl groups, which covered additional donor (triphenylamine or 10-methylphenothiazine). The acceptor is a fulleropyrrolidine derivative, which included an ethyl ammonium cation. The absorbance wavelengths of the donor covered 300-850 nm, which is the visible/near IR region (wide band capturing). The ultrafast charge separation and relatively slow charge recombination was found from femtosecond transient absorption study. Next, a ‘two point' bis-18-crown-6 and bis-ammonium binding strategy was utilized to link BODIPY- C60 supramolecular based donor–acceptor conjugates. In this case, the meso- position of the BODIPY was modified by a secondary donor (triphenylamine, phenothiazine, or ferrocene). And the 3, 5 methyl positions were replaced by two styryl groups, which included benzo-18-crown-6. The acceptor (fulleropyrrolidine) was functionalized by bis-alky ammonium cations. The absorbance/ fluorescence emission titration and computational studies supported that the ‘two-point' strategy has stronger binding than ‘one-point' strategy. The relatively slow charge separation was found in these donor-acceptor conjugates. To extend the second work, a pristine BODIPY was linked to the meso- position of the BODIPY-bis-benzo-18-crown-6. When the acceptor (C60-bis- ammonium) was added to the system, a sequential energy transfer (EnT) followed by electron transfer (ET) process was performed. The energy transfer was found from absorbance/ fluorescence emission studies, and the photoinduced electron transfer was observed from femtosecond and nanosecond transient absorption study. This is a great mode to mimic the ‘antenna-reaction center' events of natural photosynthesis. In the last work of this dissertation, triplet sensitizers (I2BODIPY and I2azaBODIPY) covalently linked with a C60 to form the donor-acceptor system. In this work, triplet charge separated state (long-lived charge separated state) was expected. According to the femtosecond transient absorption studies, we observed the singlet charge separation was faster than the intersystem crossing process, that was the reason that only singlet charge separated state was found for I2BODIPY-C60, and no electron transfer was found for I2 azaBODIPY-C60.

Fullerene stellen geschlossene Käfigstrukturen dar und bilden somit neben Graphit und Diamant die dritte Modifikation des Kohlenstoffs. Bereits 1970 wurden Fullerene theoretisch vorhergesagt und 1985 erfolgreich synthetisiert. Sie bilden sphärische Strukturen mit der allgemeinen Schreibweise C2n (n ist ganzzahlig). Im Allgemeinen sind Fullerene aus Kohlenstofffünfecken und -sechsecken aufgebaut. Aufgrund der entstehenden sterischen Spannung bei kondensierten Fünfringen, wurde die Regel der isolierten Fünfringe (IPR-Regel) postuliert. Durch die unterschiedliche Anordnung der Kohlenstoffringe ergeben sich eine Vielzahl verschiedener Strukturisomere, welche im Fullerenatlas von FOWLER und MANOLOPOULOS verzeichnet sind. Aufgrund des Hohlraumes im Inneren der „leeren“ Fullerene ist es möglich, weitere Atome aufzunehmen. Für das in dieser Arbeit vorrangig untersuchte Fulleren C80-Ih beträgt der Innendurchmesser 8,2 Å. Metalle, insbesondere Lanthanoide, eignen sich sehr gut für die endohedrale Fullerensynthese. Die eingeschlossene (endohedrale) Spezies kann hierbei verschiedene Positionen einnehmen und nicht entweichen – das Fulleren wirkt als allseitiger Käfig. Allgemein ergibt sich für endohedrale Fullerene die Schreibweise Xy@C2n. Das eingeschlossene Metall behält dabei seine, beispielsweise magnetischen, Eigenschaften, die nach außen wirken, sodass die Grundlage für mögliche Anwendungen gebildet wird. Kommt es zum Einschluss von Metallen und nichtmetallischen Spezies, werden sogenannte Clusterfullerene gebildet. Je nach Zentralion werden verschiedene Clusterfullerenfamilien gebildet (s. Kapitel 2.1). Durch solch einen Clustereinschluss können auch Nicht-IPR-Isomere stabilisiert werden. In dieser Arbeit werden endohedrale Fullerene mit Kohlenstoff und Stickstoff als zentrales Clusteratom synthetisiert und untersucht. Die Entdeckung des Carbidoclusterfullerens Lu2TiC@C80 und Untersuchungen von Dy2TiC@C80 bilden die Grundlage der hier vorgestellten Isolierung von DyYTiC@C80 (s. Kapitel 3). Die Besonderheit hierbei ist die Doppelbindung innerhalb des Clusters und das Vorhandensein von drei unterschiedlichen endohedralen Metallen. Neben der Synthese werden insbesondere die magnetischen Eigenschaften untersucht. Endohedrale Fullerene können sogenannte Einzelmolekülmagnete (single-molecule magnets, SMM) bilden und ihre magnetische Ausrichtung über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten. In Kapitel 4 wird die Synthese und Isolierung von Nitridclusterfullerenen vorgestellt. Neben dem klassischen Ansatz mittels chromatographischer Trennung für La-Sc-Nitridclusterfullerene (Kapitel 4.1) wird eine weitere Trennungsmethode angewandt. Dy-Sc-Nitridclusterfullerene werden hierbei nach der SAFA-Methode und durch Fällungsreaktionen mit Lewis-Säuren isoliert (Kapitel 4.3 und 4.4). Kapitel 5 dieser Arbeit widmet sich der Derivatisierung von Nitridclusterfullerenen. Es werden unterschiedliche Reaktionswege beleuchtet, sowie die Eigenschaften nach den durchgeführten Additionsreaktionen untersucht. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf Strukturveränderungen und magnetische Eigenschaften gelegt. Mit Hilfe solcher Funktionalisierungen ist es möglich, endohedrale Clusterfullerene, insbesondere SMM, für verschiedene Anwendungen nutzbar zu machen.

Целью работы являлось исследование структурных и электрических свойств фуллерита С70 в диапазоне давлений до 50 ГПа. Воздействие высоких давлений и температур является эффективным средством для создания метастабильных фаз углерода, и, возможно, получения сверхтвердых алмазоподобных соединений. Этим фактом обусловлена актуальность исследования фуллерена С70 и изучения его свойств при высоких давлениях, а также условий формирования новых фаз и процессов их релаксации. / The aim of the work was to study the structural and electrical properties of fullerite C70 in the pressure range up to 50 GPa. Exposure to high pressures and temperatures is an effective means to create metastable phases of carbon, and possibly to obtain superhard diamond-like compounds. This fact determines the relevance of the study of fullerene C70 and the study of its properties at high pressures, as well as the conditions for the formation of new phases and the processes of their relaxation.

In recent years, non-fullerene acceptors (NFAs) have attracted enormous interest in the field of organic solar cells (OSCs), they improve power conversion efficiency (PCE) compared to the classical fullerene acceptor. In this work, OSCs based on PBDB-T as the donor material and the very well-known NFA ITIC, along with its fluorinated and chlorinated derivatives (IT-2F, IT-4F, IT-2Cl, IT-4Cl) were fabricated to investigate the effect of the halogenation end group on the photovoltaic parameters. Optical characterization reveals that both chlorination and fluorination are effective in downshifting the molecular energy levels and redshifting the absorption spectra, which results in higher Jsc but lower Voc compared to pristine ITIC. In addition, the halogenated ITIC device exhibited enhanced FF and PCE. Various optoelectronic techniques were also used to investigate the charge recombination dynamics and charge extraction process. It has been found that (IT-2F, IT-2Cl) show suppressed monomolecular recombination compared to di-substituted NFA (IT-4F, IT-4Cl). Furthermore, fluorinated ITIC has a longer charge carrier recombination lifetime but a lower carrier extraction rate. Lastly, the best-performing device from the preceding component mixtures PBDB-T:IT-2F was exposed to thermal annealing at different stages of the fabrication process to investigate how annealing affects the photovoltaic parameters. According to our findings, both post and 2-stage annealing improve FF and PCE, but the latter is even more beneficial. In further studies, the annealing effect on the HTL layer (MoOx) has also been investigated. Annealing improved the MoOx’s work function, resulting in higher internal electric field that thereby facilitated hole extraction, as demonstrated by TPC where 2-stage annealed devices exhibited a faster carrier extraction rate.

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