Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

In dieser Arbeit werden außerberufliche Tätigkeiten von Erwerbstätigen in ihrem Arbeitsortumfeld untersucht. Es wird erforscht, welche Aktivitäten Erwerbstätige dort koppeln. Als Einflussfaktoren werden die funktional-räumliche Ausstattung des Arbeitsortumfeldes, deren Wahrnehmung und Bewertung durch die Erwerbstätigen und Merkmale der beruflichen Tätigkeit, Verkehrsmittelwahl und soziodemographische Merkmale betrachtet. Nahmobilität im Arbeitsortumfeld wurde bislang in Deutschland noch nicht explizit untersucht. Damit wurden bisher aus theoretischer Sicht ein bedeutsamer Pol des Aktionsraumes von Personen sowie ein wesentlicher Ansatzpunkt zur planerischen Stärkung der Nahmobilität bzw. der Umsetzung des Leitbildes der Stadt der kurzen Wege vernachlässigt. Eine quantitative Befragung von Angehörigen der Humboldt-Universität zu Berlin (N = 565) zeigte die Bedeutung des Arbeitsortumfeldes für die Alltagsorganisation in den Bereichen Freizeit, Dienstleistungen und Einzelhandel auf. Zur Beschreibung des Kopplungsverhaltens dienen die Begriffe „Nutzerakzeptanz“, „objektives Nutzungsspektrum“ und „subjektives Nutzungsspektrum“. Es üben 96 % der Personen Aktivitäten im Arbeitsortumfeld aus (Nutzerakzeptanz). Sie konzentrieren ihre Nutzung meist auf wenige Gelegenheiten aus dem Spektrum aller vorhandenen Gelegenheiten (objektives Nutzungsspektrum). Neu eingeführt wird in der vorliegenden Studie das subjektive Nutzungsspektrum als Anteil der genutzten an den subjektiv bekannten Angeboten im Arbeitsortumfeld. Im Vergleich zum objektiven ist das subjektive Nutzungsspektrum deutlich größer. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang der Nutzung von Angeboten im Arbeitsortumfeld mit der Stadtstruktur, mit der Verkehrsmittelwahl und mit soziodemographischen Merkmalen der Befragten aufgezeigt werden. Der Zusammenhang des Nutzungsverhaltens mit Merkmalen der Erwerbstätigkeit ist hingegen nicht eindeutig interpretierbar. / The present work investigates what non-work activities are trip chained by employees nearby their places of work. As influencing factors the facility mix close to the places of work, its perception and evaluation, occupational characteristics, mode of transport, and sociodemographic factors are taken into account. So far, in (German) research there is a strong tendency to focus on the residential area end of the trip when exploring short-distance mobility patterns. Thus, research left an important part of action space unattended and disregarded an aspect of land use that might be susceptible to successful planning control in order to promote short-distance mobility patterns. A quantitative survey among members of Humboldt-Universität zu Berlin (N = 565) revealed the importance of the proximity of the place of work for non-work activities in the fields of recreation, services and shopping. The utilisation of facilities is described by the terms “acceptance of facilities by users” (1; “Nutzerakzeptanz”), “objectively used share of facilities” (2; “objektives Nutzungsspektrum”) and “subjectively used share of facilities” (3; “subjektives Nutzungsspektrum”). 96 % of the respondents carry out activities nearby their place of work (1). In doing so, most people concentrate only on a few facilities out of the whole range of facilities offered (2). A new aspect in the present work is the focus on the “subjectively used share of facilities” which describes the portion of used facilities of all facilities known to a person. In comparison to the “objectively used share of facilities” the “subjectively used share of facilities” is bigger. An interrelationship of the utilisation of facilities with facility mix, perception and evaluation of the facilities, choice of transport mode, and sociodemographic characteristics, respectively, was found. The interrelation between the utilization of facilities and occupational characteristics is less clear.

In dieser Arbeit studieren wir durch numerische Simulationen die Theorie der starken Wechselwirkung Quantenchromodynamik auf einem Raumzeit-Gitter (Gitter-QCD) mit vier dynamischen Quark-Flavors. In den Anfaengen der Gitter QCD wurden die Effekte der Quark-Polarisation aufgrund von technischer Begrenzung der Rechenkapazitaet vernachlaessigt und die sogennante "quenched Approximation" angewendet. Der Grund fuer die "quenched" Approximation war, dass der numerische Aufwand um die Fermion-Determinante auszuwerten die damaligen technischen Moeglichkeiten ueberstieg. In der Tat ist dies immer noch eine grosse Herausforderung fuer die numerische Simulation der QCD aber durch neue technische und algorithmische Entwicklungen kann man heutzutage die Quark-Polarisationseffekte mit mindestens zwei Quark-Flavors beruecksichtigen. Seit einigen Jahren werden solche Simulationen in verschiedenen Kollaborationen durchgefuehrt. In unserem Projekt wird die Gitter-QCD mit vier degenerierten O(a) verbesserten Wilson Quarks im Schroedinger Funktional Schema untersucht mit dem Ziel, die Energieabhaengigkeit der starken Kopplung zu berechnen. Zu diesem Zweck bestimmen wir erst den O(a) Verbesserungskoeffizienten csw mit vier Flavors und benutzen dieses Ergebnis um die Step-Scaling Funktion der QCD zu bestimmen, die das Laufen der Kopplung ueber einen grossen Skalenbereich beschreibt. Unter Benutzung eines Finite-Size Verfahrens berechnen wir den Lambda Parameter in Einheiten von einer Skala Lmax, die eine eindeutig definierte Laenge im hadronischen Bereich darstellt. Die QCD-Kopplung alpha_SF im sogenannten Schroedinger Funktional Schema wird dann ueber einen weiten Bereich der Energie bestimmt und ein Vergleich mit 2-loop und 3-loop Stoerungstheorie sowie mit dem nicht-perturbativen Ergebnis fuer den Fall von zwei Flavors durchgefuehrt. / In this thesis we study the theory of strong interaction Quantum Chromodynamics on a space-time lattice (lattice QCD) with four flavors of dynamical fermions by numerical simulations. In the early days of lattice QCD, only pure gauge field simulations were accessible to the computational facilities and the effects of quark polarization were neglected. The so-called fermion determinant in the path integral was set to one (quenched approximation). The reason for this approximation was mainly the limitation of computational power because the inclusion of the fermion determinant required an enormous numerical effort. However, for full QCD simulations the virtual quark loops had to be taken into account and the development of new machines and new algorithmic techniques made the so-called dynamical simulations with at least two flavors possible. In recent years, different collaborations studied lattice QCD with dynamical fermions. In our project we study lattice QCD with four degenerated flavors of O(a) improved Wilson quarks in the Schroedinger functional scheme and calculate the energy dependence of the strong coupling constant. For this purpose, we determine the O(a) improvement coefficient csw with four flavors and use this result to calculate the step scaling function of QCD with four flavors which describes the scale evolution of the running coupling. Using a recursive finite-size technique, the Lambda parameter is determined in units of a technical scale Lmax which is an unambiguously defined length in the hadronic regime. The coupling alpha_SF of QCD in the so-called Schroedinger functional scheme is calculated over a wide range of energies non-perturbatively and compared with 2-loop and 3-loop perturbation theory as well as with the non-perturbative result for only two flavors.

Metallfluoride sind dank ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität, insbesondere bei Reaktionen unter Beteiligung von hoch korrosiven Gasen (HF, HCl, Cl2, F2) den entsprechenden Oxiden überlegen. Über den Sol-Gel Prozess synthetisierte Produkte weisen oft spezifische, zum Teil sehr unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu klassisch hergestellten Verbindungen auf. In dieser Arbeit wurde der Sol-Gel Prozess zur Herstellung von binären Fluoriden (AlF3, MgF2, CaF2, CuF2 und FeF3) genutzt und zum Teil weiter entwickelt sowie das Synthesepotential dieser Methode als Zugang für komplexe Fluoride (KMgF3, K3AlF6), für Metallfluorid-geträgerte „nano Edelmetall-Systeme (Pd/AlF3, Pt/AlF3, Pd/CaF2, Pd/MgF2) und für Gast–Wirt–Metallfluorid-Systeme (CuF2/AlF3, FeF3/AlF3) untersucht. Die Eigenschaften der als kompakte Materialien hergestellten Metallfluorid Systeme wurden mit Hilfe spektroskopischer Methoden untersucht und dabei insbesondere deren Oberflächeneigenschaften bestimmt. Die neuen Materialien wurden für die Nutzung akademisch und industriell bedeutsamer Katalysereaktionen evaluiert und mit klassischen Katalysatoren verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass der Sol-Gel Prozess für Fluoride zu neuartigen Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften führt. Insbesondere infolge der Synthese-bedingten Vergrößerung der spezifischen Oberflächen um einen bis zu 20-fachen Faktor im Vergleich zu klassisch hergestellten Fluoriden konnten auch eine Reihe von katalytisch interessanten Metallen (Pd, Pt) in die nanoskopischen Festkörperfluoride eingebracht werden. Die TEM Aufnahmen zeigen, dass z. B. 2-5 nm große Palladiumpartikel sehr homogen in ca. 80 nm große CaF2- bzw. 20 nm große AlF3-Matrices in nur einem einzigen Reaktionsschritt eingeführt werden können. Die neuen Materialien wurden in verschiedenen katalytischen Reaktionen getestet und zeigten sich in mehreren Fällen den „Standard Katalysatoren“ überlegen. / Because of their high chemical and thermal stabilities, metal fluorides have found to be advantageous over metal oxides in such cases where reactions involving generation of corrosive acids like HCl and HF are concerned. The Sol-gel method is known for the synthesis of materials with considerably different properties to those prepared by classical routes. In this work, sol-gel route has been employed for the synthesis of binary fluorides (AlF3, MgF2, CaF2, CuF2 and FeF3), hydroxyfluorides [AlF3-x(OH)x, MgF2-x(OH)x] complex fluorides (KMgF3, K3AlF6), metal fluoride supported nanoscopic noble metals (Pd, Pt) and host-guest fluoride systems (CuF2/AlF3, FeF3/AlF3). Besides the successful synthesis of metal fluorides described above, the present thesis deals with investigation of their bulk and surface properties using various analytical and spectroscopic methods (XRD, BET, NH3-TPD FTIR-pyridine adsorption, XPS, microscopic studies) as well as with their catalytic properties for the reactions of academic and industrial interest. Metal fluorides prepared via sol-gel method have shown to possess extraordinary surface properties in terms of surface area, particle size, porosity, Lewis acidity and distortion in their structures as compared to those of classical methods like aqueous synthesis or impregnations. A homogeneous dispersion of Pd nanoparticles supported on high surface area metal fluoride prepared by this method was confirmed by XRD, XPS and TEM imaging. Catalytic properties of these materials have been investigated for dehydrofluorination of hydrofluorocarbons, isomerization of citronellal, hydrodehalogenation of chlorodifluoromethane, Suzuki cross coupling and oxidative fluorination of benzene.

Hole-Burning (HB) und Fluorescence Line-Narrowing (FLN) bei 4.2 K sowie Experimente zur Temperaturabhängigkeit werden angewendet, um Energieniveaustruktur und Elektron-Phonon- Wechselwirkung im Antennenkomplex LHC II grüner Pflanzen zu untersuchen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Vermeidung systematischer Meßfehler durch Reabsorption von Fluoreszenz oder durch Lichtstreuung und unerwünschtes Lochbrennen bei FLN-Experimenten. Durch die Auswertung von Lochspektren können erstmals drei niederenergetische elektronische Zustände bei 677.1, 678.4 und 679.8 nm nachgewiesen werden. Die inhomogene Breite der zugehörigen Absorptionsbanden beträgt etwa 4 nm. Wahrscheinlich stellt jeder dieser Zustände das tiefste Energieniveau einer Untereinheit des LHC II-Trimers dar und ist weitgehend an jeweils einem Chl a-Molekül lokalisiert. Die energetische Differenz zwischen den drei Zuständen kann durch strukturelle Heterogenität erklärt werden. Es kann nachgewiesen werden, daß die Meßergebnisse praktisch frei von Effekten durch unerwünschte Aggregation sind. Die homogene Linienbreite des energetisch tiefsten Zustandes bei 4.7 K wird vorwiegend durch phasenzerstörende Prozesse (pure dephasing) bestimmt. Die Lochbreiten innerhalb der 650 nm Absorptionsbande entsprechen Chl b-Chl a Energietransferzeiten von 1 ps und etwa 240 fs bei 4.2 K, während Lochbreiten innerhalb der 676 nm Absorptionsbande Chl a-Chl a Energietransferzeiten in der Größenordnung von 6-10 ps ergeben. In einer theoretischen Betrachtung werden die Beiträge zu Phonon-Seitenbanden bei HB und FLN separat analysiert. Auf dieser Grundlage können Ergebnisse von HB und FLN Experimenten an LHC II erstmals in einem konsistenten Modell durch schwache Elektron-Phonon-Wechselwirkung mit einem Huang-Rhys-Faktor von 0.9 und ein breites, stark asymmetrisches Ein-Phonon-Profil erklärt werden. / Spectral hole-burning (HB) is combined with fluorescence line-narrowing (FLN) experiments at 4.2 K and studies of temperature-dependent fluorescence spectra in order to investigate low-energy level structure as well as electron-phonon coupling of the LHC II antenna complex of green plants. Special attention has been paid to eliminate effects owing to reabsorption of fluorescence and to assure that the FLN spectra are virtually unaffected by hole-burning or scattering artifacts. For the first time, analysis of the 4.2 K hole spectra reveals three low-energy electronic states at 677.1, 678.4 and 679.8 nm, respectively. The inhomogeneous width of their absorption bands is approximately 4 nm. It is likely that each of these states is associated with the lowest energy state of one trimer subunit with the energetic separations being due to structural heterogeneity. It is likely that each of the low-energy states is highly localized on a single Chl a molecule of the corresponding trimer subunit. The results are shown to be virtually free from aggregation effects. The homogeneous width for the lowest state at 4.7 K is predominantly due to pure dephasing. Widths of holes burned into the 650 nm absorption band correspond to Chl b-Chl a energy transfer times of 1 ps and about 240 fs at 4.2 K while holewidths for the 676 nm absorption band lead to Chl a-Chl a energy transfer times in the 6-10 ps range. The complexities associated with the interpretation of the phonon structure in HB and FLN spectra are discussed by theoretically analyzing the different phonon sideband contributions. On this basis, 4.2 K HB and FLN data can be consistently interpreted for the first time by weak electron-phonon coupling with a Huang-Rhys factor of about 0.9 to protein phonons with a broad and strongly asymmetric one- phonon profile.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung von einzelnen nano- und mikrometergroßen Partikeln, zum Verständnis und zur Entwicklung von neuartigen nanooptischen Elementen, wie Lichtquellen und Sensoren, sowie Strukturen zum Aufsammeln und Leiten von Licht. Neben der Charakterisierung stehen dabei verschiedene Methoden zur elektromagnetischen Manipulation im Vordergrund, die auf eine Kontrolle der Position oder der Geometrie der Partikel ausgerichtet sind. Die gezielten Manipulationen werden verwendet, um vorausgewählte Partikel zu isolieren, modifizieren und transferieren. Dadurch können Partikel zu komplexeren photonischen Systemen kombiniert werden, welche die Funktionalität der einzelnen Bestandteile übertreffen. Der Hauptteil der Arbeit behandelt Experimente mit freischwebenden Partikeln in linearen Paul-Fallen. Durch die räumliche Isolation im elektrodynamischen Quadrupolfeld können Partikel mit reduzierter Wechselwirkung untersucht werden. Neben der spektroskopischen Charakterisierung von optisch aktiven Partikeln (farbstoffdotierte Polystyrol-Nanokügelchen, Cluster aus Nanodiamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, Cluster aus kolloidalen Quantenpunkten) sowie optischen Resonatoren (plasmonische Silber-Nanodrähte, sphärische Siliziumdioxid-Mikroresonatoren) werden neu entwickelte Methoden zur Manipulation vorgestellt, mit denen sich individuelle Partikel freischwebend kombinieren und elektromagnetisch koppeln sowie aus der Falle auf optischen Fasern zur weiteren Untersuchung bzw. zur Funktionalisierung photonischer Strukturen ablegen lassen. In einem weiteren Teil der Arbeit wird eine Methode zur Manipulation der Geometrie von plasmonischen Nanopartikeln vorgestellt. Dabei werden einzelne Goldkugeln auf einem Deckglas mit einem fokussierten Laserstrahl zum Schmelzen gebracht und verformt. Durch die kontrollierte und reversible Veränderung der Symmetrie lassen sich die lokalisierten Oberflächenplasmonen des Partikels gezielt beeinflußen. / The topic of the present thesis is the investigation of single nano- and microsized particles for the understanding and design of novel nanooptical elements as light sources and sensors, as well as light collecting and guiding structures. In addition to particle characterization, the focus is on different methods for electromagnetic particle manipulation aimed at controlling the particle’s position or geometry. The specific manipulations are used for isolation, modification and transfer of preselected particles, enabling combination of particles into more complex photonic systems, which exceed the functionalities of the individual constituents. The main part of this work deals with experiments on levitated particles in linear Paul traps. Due to the spatial isolation in the electrodynamic quadrupole field, particles can be investigated with reduced environmental interaction. In addition to spectroscopic characterization of optically active particles (dye-doped polystyrene nanobeads, clusters of nanodiamonds with nitrogen vacancy defect centers, clusters of colloidal quantum dots) and particles with optical resonances (plasmonic silver nanowires, spherical silica microresonators) new manipulation methods are presented that enable assembly and electromagnetic coupling of individual, levitated particles as well as deposition of particles from the trap on optical fibers for further characterization or functionalization of photonic structures. In a further part of this work a method to manipulate the geometry of plasmonic nanoparticles is presented. Single gold nanospheres on a coverslip are melted and shaped with a focused laser beam. The localized surface plasmons can be influenced specifically by controlled and reversible changes of the particle symmetry.

This work tries to show the significant competence and functionality of density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TD-DFT) as theoretical approaches, supporting experimental measurements in various fields of physics from astrophysics to surface science, to study the electronic structure and spectroscopic properties of molecules and clusters: Silicon nanocrystals: Due to their optical properties, silicon nanocrystals have attracted considerable attention in astrophysics. In this work, the optical properties of H-passivated silicon nanocrystals are determined by the energetics of the frontier orbitals and their dependence on the deformation in the relaxed excited state, using DFT and TD-DFT. The Jahn-Teller effect in the lowest excited state results in a distortion toward tetragonal symmetry, contributing significantly to the red shift of the photoluminescence (PL) spectra. Therefore, the deformation in the relaxed excited state consists of a symmetry conserving part and of a symmetry-breaking distortion from Td toward D2d. For nanocrystals up to a diameter of 1.5 nm, we project the deformations at the minima of the excited state potential surface onto the different symmetries, allowing for a discrimination of the respective contributions to the total Stokes shift. The results show a quantitative agreement between the TD-DFT calculations of PL gap and the observed PL energies better than 0.2 eV. It is also seen that the large PL linewidth is the fundamental property of each cluster, not of ensemble average over clusters of different size. 2,3-Benzofluorene: We have presented new theoretical results on the absorption spectroscopy of 2,3-benzofluorene (Bzf) for the transition from the ground state, S0, to the first electronically excited singlet state, S1, to support the measurements of S1(1A´) <- S0(1A´) absorption spectrum of jet-cooled Bzf. The potential energy surfaces (PESs) of the S(n=0,1,2) states of Bzf have been investigated with calculations based on DFT and TD-DFT. At the B3LYP/TZ level of theory, TD-DFT does not deliver a realistic difference between the excited S1 and S2 potential energy surfaces, a problem which can be avoided by introducing a reference geometry (q*) where this difference coincides with the observation. In this geometry, an expression for the Herzberg-Teller corrected intensities of the vibronic bands is proposed, allowing a straightforward assignment of the observed a′ modes below 900 cm−1, including realistic calculated intensities. In spite of the difficulties caused by the small energy difference between the S1 and S2 states, we have obtained a reasonable theoretical absorption spectrum based on a TD-DFT approach applied to the slightly modified molecular geometry. Although the agreement between the theoretical and observed spectra is very good only for vibrational modes with frequencies lower than 900 cm−1, we consider our calculations to be the best approach to an ab initio study realized for Bzf until now since only parametrized force fields had been used before. (Ni–, Pd–, Pt–) Phthalocyanine: We studied the HOMO–LUMO gap shrinking in order to investigate the tip-induced polarization in scanning tunneling spectroscopy (STS) of d8 (Ni, Pd, and Pt) phthalocyanines. By means of DFT, the electronic structure and vibronic properties of single neutral NiPc, PdPc, and PtPc and their singly and doubly ionized cations and anions have been calculated. Interestingly, the position of the HOMO decreases systematically with increasing the atomic number of the central metal atom. The first ionization energies of neutral molecules increase by changing the central metal atom, while the electron affinities remain constant. This causes an increase in the HOMO–LUMO gap. These results show a clear correlation to experimental observations. Furthermore, partitioning of the reorganization energy, corresponding to the photoelectron spectra of the first and second ionizations of studied molecules, into normal mode contributions shows that the major contributions are due to several vibrational modes with a1g symmetry and energies lower than 1600 cm−1. The results reveal that the reorganization energy due to the singly positive ionization in the studied molecules is about one order of magnitude less than other reorganization energies, which makes these metal–phthalocyanines more attractive as electron donor for intramolecular electron transfer in electron acceptor–donor systems.

In this thesis we investigate the formation of patterns in a simple activator-inhibitor model supplemented with an inhibitory nonlocal coupling term. This model exhibits a wave instability for slow inhibitor diffusion, while, for fast inhibitor diffusion, a Turing instability is found. For moderate values of the inhibitor diffusion these two instabilities occur simultaneously at a codimension-2 wave-Turing instability. We perform a weakly nonlinear analysis of the model in the neighbourhood of this codimension-2 instability. The resulting amplitude equations consist in a set of coupled Ginzburg-Landau equations. These equations predict that the model exhibits bistability between travelling waves and Turing patterns. We present a study of interfaces separating wave and Turing patterns arising from the codimension-2 instability. We study theoretically and numerically the dynamics of such interfaces in the framework of the amplitude equations and compare these results with numerical simulations of the model near and far away from the codimension-2 instability. Near the instability, the dynamics of interfaces separating small amplitude Turing patterns and travelling waves is well described by the amplitude equations, while, far from the codimension-2 instability, we observe a locking of the interface velocities. This locking mechanism is imposed by the absence of defects near the interfaces and is responsible for the formation of drifting pattern domains, i.e. moving localised patches of travelling waves embedded in a Turing pattern background and vice versa.

This work offers a concept to predict and comprehend the electronic excited states in regular aggregates formed of quasi-one-dimensional organic materials. The tight face-to-face stacking of the molecules justifies the idealization of the crystals and clusters as weakly interacting stacks with leading effects taking place within the columnar sub-structures. Thus, the concept of the small radius exciton theory in linear molecular chains was adopted to examine the excitonic states. The excited states are composed of molecular excitations and nearest neighbor charge transfer (CT) excitations. We analyzed the structure and properties of the excited states which result from the coupling of Frenkel and CT excitons of arbitrary strength in finite chains with idealized free ends. With the help of a partially analytical approach to determine the excitonic states of mixed Frenkel CT character by introducing a complex wave vector, two main types of states can be distinguished. The majority of states are bulk states with purely imaginary wavevector. The dispersion relation of these state matches exactly the dispersion relation known from the infinite chain. The internal structure of the excitons in infinite chains is directly transferred to the bulk states in finite chains. TAMM-like surface states belong to the second class of states. Owing to the damping mediated by a a non-vanishing real part of the wavevector, the wave function of the surface states is localized at the outermost molecules. The corresponding decay length is exclusively determined by the parameterization of the coupling and is independent of the system size. It can therefore be assigned as a characteristic quantum length which plays a vital role for the understanding of system-dependent behavior of the states. The number and type of surface states occurring is predicted for any arbitrary coupling situation. The different nature of bulk and surface states leads to distinct quantum confinement effects. Two regimes are distinguished. The first regime, the case of weak confinement, is realized if the chain length is larger than the intrinsic length. Both kinds of states arrange with the system size according to their nature. Derived from the excitonic states of the infinite chain, the bulk states preserve their quasi-particle character in these large systems. Considered as a quasi-particle confined in box, they change their energy with the system size according to the particle-in-a-box picture. The surface states do not react to a change of the chain length at all, since effectively only the outermost molecules contribute to the wavefunction. The second regime holds if the states are strongly confined, i.e., the system is smaller than the intrinsic length. Both types of states give up their typical behavior and adopt similar properties. / Diese Arbeit unterbreitet ein Konzept, um elektronische Anregungszustände in Aggregaten quasi-eindimensionaler organischer Materialien vorherzusagen und zu verstehen. Die dichte Packung der Moleküle rechtfertigt die Idealisierung der Kristalle bzw. Cluster als schwach wechselwirkende Stapel, wobei die führenden Effekte innerhalb der Molekülstapel zu erwarten sind. Zur Beschreibung der exzitonischen Zustände wurde das Konzept der 'small radius'-Exzitonen in linearen Molekülketten angewandt. Die elektronischen Zustände sind dabei aus molekularen (Frenkel) und nächsten Nachbarn 'charge-transfer' (CT) Anregungen zusammengesetzt. Die Struktur und Eigenschaften der Zustände wurden für beliebige Kopplungsstärken zwischen Frenkel- und CT Anregungen in Ketten mit idealisierten freien Enden für beliebiger Längen analysiert. Der entwickelte, überwiegend analytische Zugang, welcher auf der Einführung eines komplexen Wellenvektors beruht, ermöglicht die Unterscheidung zweier grundsätzlicher Zustandstypen. Die Mehrheit der Zustände sind Volumenzustände mit rein imaginärem Wellenvektor. Die zugehörige Dispersionsrelation entspricht exakt der Dispersionsrelation der unendlichen Kette mit äquivalenten Kopplungsverhältnissen. Die interne Struktur der Exzitonen der unendlichen Kette wird auf die Volumenzustände der endlichen Kette direkt übertragen. Der zweite grundlegende Zustandstyp umfaßt Tamm-artige Oberflächenzustände. Aufgrund der durch einen nichtverschwindenden reellen Anteil des Wellenvektors hervorgerufenen Dämpfung sind die Wellenfunktionen der Oberflächenzustände an den Randmolekülen lokalisiert. Die entsprechende Dämpfungslänge ist ausschließlich durch die Parametrisierung der Kopplungen bestimmt und ist somit unabhängig von der Kettenlänge. Sie kann daher als intrinische Quantenlänge interpretiert werden, welche von essentieller Bedeutung für das Verständnis systemgrößenabhängigen Verhaltens ist. Sowohl die Anzahl als auch die Art der Oberflächenzustände kann für jede Kopplungssituation vorhergesagt werden. Die unterschiedliche Natur der Volumen- und Oberflächenzustände führt auf ausgeprägte 'Quantum confinement' Effekte. Zwei Regime sind zu unterscheiden. Im Falle des ersten Regimes, dem schwachen 'Confinement', ist die Kettenlänge größer als die intrinsische Länge. Beide Zustandarten reagieren auf eine Veränderung der Kettenlänge gemäß ihrer Natur. Aufgrund ihrer Verwandschaft mit den Bandzuständen der unendlichen Kette bewahren die Volumenzustände ihren Quasiteilchen-Charakter. Aufgefaßt als Quasiteilchen, erfahren sie in endlichen Systemen eine energetische Verschiebung gemäß dem Potentialtopf-Modell. Oberflächenzustände zeigen keine Reaktion auf veränderte Kettenlängen, da effektiv nur die Randmoleküle zur Wellenfunktion beitragen. Es findet ein Übergang zum zweiten Regime (starkes 'Confinement') statt, sobald die Kettenlänge kleiner als intrinsische Quantenlänge wird. Beide Zustandsarten geben ihr typisches Verhalten auf und werden mit abnehmender Kettenlänge zunehmend ähnlicher.

In the first two chapters we presented the basics of density functional theory and semiempirical LSD+U approximation, which was implemented in the full-potential local-orbital (FPLO) minimal-basis calculation scheme. In the third chapter we tested the implemented version of LSDA+U on 3d transitional metal monoxides. Essential improvement of the spectroscopic properties was obtained. A simple model describing the value and direction of the magnetic moment of a transition metal ion was presented. The model visualizes the interplay of the spin-orbit coupling and crystal field splitting. In the fourth chapter we calculated the electronic spectrum of the single Zn impurity in CuO2 plane considered as a vacancy in Cu 3d states. The analytic solution for the states of different symmetry was obtained. Depending on the strength of perturbation induced by the impurity on the neighboring Cu ions, the states are either resonant or localized. The critical values of the perturbation were computed. In the fifth chapter we presented the calculations for three novel vanadates: MgVO3, Sb2O2VO3 and VOMoO4. The tight-binding parameters and the exchange integrals were computed. The magnesium and antimony vanadates appeared to be spin-½ one-dimensional systems, the latter having much stronger one-dimensional character and being probably the best realization of inorganic spin-Peierls system. The molybdenum vanadate was found to be two-dimensional spin-½ system. The Mo 4d orbitals play an important role in the electronic transfer.