Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums dar. Im Vordergrund standen die Synthese und Charakterisierung neuer neutraler penta- und hexakoordinierter Silicium(IV)-Komplexe sowie die Synthese, Charakterisierung und Untersuchung der Reaktivität eines neuartigen Donor-stabilisierten Silylens. / This thesis is a contribution to the chemistry of higher-coordinate silicon. The main focus of this work was the synthesis and characterization of novel neutral five- and six-coordinate silicon(IV) complexes as well as the synthesis, characterization, and reactivity of a novel donor-stabilized silylene.

This thesis consists of two parts of original experimental work, its evaluation, and in- terpretation. Its final goal is to investigate dynamical charge transfer (CT) at a hetero- molecular interface with resonant photoelectron spectroscopy (RPES). In order to achieve this goal preliminary studies have been necessary. First two hetero-molecular inter- faces that exhibit adequate structural properties as well as an appropriate photoelec- tron spectroscopy (PES) spectrum of the valence regime have been identified. The de- sired CT analysis with RPES of these hetero-molecular systems is then conducted on the basis of the knowledge gained by previous RPES studies of homo-molecular sys- tems. The characterization of hetero-molecular films on single crystal Ag surfaces in the first part of this thesis is performed with high resolution core level PES and valence PES. The reproduction of the core level PES data with reference spectra of homo-molecular films allows me to determine which molecule is in direct contact to the Ag surface and which one is situated in higher layers (not the first one). Due to the direct correspon- dence of core level and valence PES the assignment of features in the spectra of the latter technique can be achieved with the identification of the contributions extracted from the evaluation of the data of the former technique. It is found that the systems PTCDA on one monolayer (ML) of SnPc on Ag(111) and CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) are stable at 300 K which means that no significant layer exchange occurs for these systems. In contrast a vertical exchange of CuPc and PTCDA molecules is observed for PTCDA de- posited on top of 1 ML CuPc/Ag(111). Up to a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these diffuse into the first layer, replace CuPc molecules, and con- sequently force them into higher layers. Above a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these are also found in higher layers. The search for a promising system for the intended RPES study then leads to an investigation of hetero-molecular films with a combination of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) within the same approach. Depositing F4TCNQ molecules onto a 1 ML PTCDA/Ag(110) film in the herringbone phase at 300 K results in an instable hetero-organic system which un- dergoes a layer exchange. Hereby PTCDA molecules in the first layer are replaced by F4TCNQ molecules similar to the behavior of the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111). Switching the order of the preparation steps leads to a stable film of PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) at 300 K. Among the stable hetero-molecular films only the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) exhibits the required wetting growth of the first two layers at 300 K and a valence PES spectrum with energetically separable molecular orbital signals in the same intensity range. Thus this system is identified to be appropriate for a detailed analysis with RPES. The unexpected findings of vertical exchanges in the hetero-molecular films at 300 K motivate a study of the behavior at elevated temperatures for all systems investigated before. Therein it is revealed that annealing 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) and 1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) to a temperature above the desorption temperature of molecules not in direct contact to the Ag(111) surface results in a 1 ML SnPc/Ag(111) film in both cases. Hence at elevated temperatures (approximately above 420 K) SnPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer on Ag(111). At higher temper- atures (approximately above 470 K) PTCDA molecules and SnPc molecules situated above the first layer then desorb from the 1 ML SnPc/Ag(111) sample. Annealing all hetero-molecular films with CuPc and PTCDA molecules on Ag(111) to 570 K leads to a sample with CuPc and PTCDA molecules in the first and only layer. Depending on the initial CuPc coverage different ratios of both molecules are obtained. With a CuPc coverage of exactly 1 ML, or above, films with PTCDA coverages of approxi- mately 0.1–0.2 ML are produced. So at elevated temperatures CuPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer of the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111). Anal- ogously the layer exchange at 300 K for the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) is reversed at elevated temperatures. In the case of SnPc and CuPc coverages below 1 ML annealing vertical hetero-molecular systems with PTCDA on Ag(111) up to 570 K re- sults in a single layer of mixed hetero-molecular films with lateral long range order. In this way the system CuPc + PTCDA/Ag(111) is prepared and then characterized as a proper system for a detailed analysis with RPES. Additional annealing experiments of hetero-organic films consisting of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) with an F4TCNQ coverage of 1.0 ML (and above) end in a submonolayer (sub-ML) film of F4TCNQ/Ag(110) that exhibits a contribution of amorphous carbon. Consequently, it can be concluded that at elevated temperatures part of the F4TCNQ molecules decom- pose. In the second part of this thesis homo-molecular multilayer samples and (sub-)ML films on single crystalline metal surfaces are investigated with RPES in order to enable the final RPES study of vertical and lateral hetero-molecular interface systems. First a pho- ton energy (hν) dependent intensity variation of (groups of) molecular orbital signals of exemplary multilayer films (NTCDA and coronene) is studied and explained on the basis of the local character of the electronic transitions in near edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy in combination with the real space probability den- sity of the contributing molecular orbitals. This simple approach is found to be able to correctly describe relative intensity variations by orders of magnitude while it fails for hν dependent relative intensity changes in the same order of magnitude. After that the hν dependent line-shape evolution of an energetically separated molecular orbital signal of a CuPc multilayer is discussed in relation to small molecules in the gas phase and explained with an effect of electron vibration coupling. Through a comparison of the hν dependent line-shape evolution of the highest occupied molecular orbital (HOMO) of a CuPc with a SnPc multilayer the molecule specific character of this effect is identified. Then the same effect with either two (or more) electronic transitions or multiple coupling vibrational modes is observed for a coronene multilayer. Thereafter the influence of the adsorption on metal surfaces on this effect is studied and discussed with special emphasis on a possible contribution by features which are related to dynamical interface CT. For a sub-ML of SnPc/Au(111) no variation with respect to a SnPc multilayer film is detected while for a sub-ML of CuPc/Au(111) less intensity is distributed into the high binding energy (EB) part of the HOMO signal with respect to the corresponding multilayer film. In the RPES data of a sub-ML of coronene/Ag(111) a resonance specific variation of the hν dependent line-shape evolution of the HOMO signal is found by the revelation of a change of this effect with respect to the coronene multilayer data in only one of the two NEXAFS resonances. All these findings are consistently explained within one effect and a common set of parameters, namely all quantities that characterize the potential energy surfaces involved in the RPES process. Through that an alternative explanation that re- lies on dynamical CT can be excluded which influences the following CT analysis with RPES. Three criteria for such an analysis of dynamical interface CT with RPES are identified. In the system coronene on Ag(111) a low EB feature is related to metal-molecule inter- face CT through the assignment of a particular final state and hence named CT state. In the EB region of the frontier molecular orbital signals of the molecule-metal inter- face systems with a signal from the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) in direct valence PES a broad line-shape is measured in RPES. This finding is related to interface CT by a possible explanation that emerges through the comparison to the line- shape of the CT state. The constant kinetic energy (EK ) features detected for several molecule-metal interfaces constitute the third criterion for a CT analysis with RPES. For the molecule-metal interface systems without a LUMO signal in direct valence PES the energy of these features can be calculated with the assignment of the responsible decay channel in combination with explicitly given simplifying assumptions. Through that the involvement of metal-molecule interface CT in the generation of these constant EK fea- tures is demonstrated. The RPES data of the lateral and the vertical hetero-molecular interface, identified in the first part, is then scanned for these three CT criteria. Thereby neither for the lateral hetero-molecular system CuPc + PTCDA/Ag(111) nor for the verti- cal hetero-molecular system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) dynamical hetero-molecular interface CT can be confirmed. In the former system the molecule-metal interface in- teraction is found to dominate the physics of the system in RPES while in the latter system no hints for a significant hybridization at the CuPc-PTCDA interface can be revealed / Diese Dissertation besteht aus zwei Hauptteilen, in denen neue experimentelle Ergeb- nisse präsentiert, ausgewertet und interpretiert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, dynamischen Ladungstransfer an einer Heteroorganikgrenzfläche mit resonanter Pho- toelektronenspektroskopie (RPES) zu untersuchen. Um dies zu ermöglichen, musste erst eine solche Heteroorganikgrenzfläche, mit den geforderten strukturellen Eigenschaften, gefunden werden, die außerdem noch ein geeignetes Spektrum des Valenzbereichs in direkter Photoelektronenspektroskopie (PES) aufweist. Zusätzlich erforderte die ange- strebte Ladungstransferanalyse mit RPES vorausgehende RPES Messungen an homo- molekularen Systemen. Das dadurch erlangte Wissen konnte dann für die Interpretation von RPES Messungen heteromolekularer Grenzflächenschichten benutzt werden. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von heteromolekularen Filmen auf Silbereinkristalloberflächen durch hochauflösende PES der Rumpfzustände und PES der Valenzzustände. Die Reproduktion der Spektren der Rumpfzustände mit PES Referenzspektren homomolekularer Filme ermöglicht es herauszufinden welches Molekül direkt auf der Silberoberfläche liegt und welches in höheren Lagen (nicht der ersten) adsorbiert ist. Außerdem können dadurch Signale in PES Spektren des Valenzbe- reiches gewissen Zuständen zugeordnet werden, da ein direkter Zusammenhang von PES der Rumpfzustände und der Valenzzustände existiert. Dieser wiederum ermöglicht es, durch die Analyse der Daten der Rumpfzustände, herauszufinden, welche Beiträge im Spektrum des Valenzbereichs enthalten sein müssen. Mit der Analyse der PES Spektren der Rumpfzustände wird gezeigt, dass die Systeme PTCDA auf einer Monolage (ML) SnPc auf Ag(111) und CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) bei 300 K stabil sind. Somit kann ein signifikanter Austausch von Molekülen zwischen den beiden Lagen dieser vertikalen Heteroschichten ausgeschossen werden. Dampft man hingegen PTCDA Moleküle auf eine 1 ML CuPc/Ag(111) Schicht auf, so wird ein Austausch von CuPc Molekülen mit PTCDA Molekülen beobachtet. Für eine PTCDA Bedeckung von bis zu 0.5 ML diffundieren alle PTCDA Moleküle in die erste Lage, ersetzen die dort befindlichen CuPc Moleküle und zwingen diese in höhere Lagen. Oberhalb einer PTCDA Bedeckung von 0.5 ML adsorbieren diese Moleküle auch in höheren Lagen. Um weitere Systeme zu finden, die für die geplanten RPES Messungen geeignet sind, werden anschließend ebenfalls heteromolekulare Filme, bestehend aus F4TCNQ und PTCDA Molekülen auf Ag(110), mit der gleichen Methode untersucht. Ähnlich dem Verhalten des Systems PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) wird hierbei ein Austausch von PTCDA Molekülen durch F4TCNQ Moleküle in der ersten Lage des Systems F4TCNQ/1 ML PTCDA/Ag(110) beobachtet. Kehrt man die Präparationsreihenfolge hingegen um, kann bei 300 K ein sta- biler Film von PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) erzeugt werden. Das System CuPc auf 1 ML PTCDA/Ag(111) wird als einziges stabiles heteromolekulares System identifiziert, welches sowohl bei 300 K das benötigte benetzende Wachstum der ersten beiden Lagen, als auch ein PES Spektrum des Valenzbereichs mit energetisch trennbaren Molekülor- bitalsignalen im gleichen Intensitätsbereich aufweist. Somit ist gezeigt, dass dieses Sys- tem für eine detaillierte Analyse mit RPES geeignet ist. Der unerwartete Befund, dass bei einigen heteromolekularen Filmen ein vertikaler Aus- tausch stattfindet, motiviert eine Studie des Verhaltens aller heteromolekularen Filme bei höheren Temperaturen. Dabei wird gezeigt, dass ein 1 ML SnPc/Ag(111) Film entsteht, wenn eine 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) und eine 1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) Probe auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der Moleküle, welche nicht direkt auf der Ag(111) Oberfläche adsorbiert sind, desorbieren. Bei erhöhter Tempera- tur (oberhalb ca. 420 K) verdrängen also SnPc Moleküle PTCDA Moleküle aus der ersten Lage auf der Ag(111) Oberfläche. Wird die Temperatur weiter erhöht (ober- halb ca. 470 K), so desorbieren PTCDA und SnPc Moleküle, welche sich nicht in der ersten Lage befinden, von dem entstandenen 1 ML SnPc/Ag(111) Film. Das Er- hitzen aller heteromolekularen Filme, die aus PTCDA und CuPc Molekülen bestehen, auf eine Endtemperatur von 570 K resultiert in einer Probe, bei der sowohl CuPc als auch PTCDA Moleküle in der ersten, und einzigen Lage, adsorbiert sind. Abhängig von der anfänglichen CuPc Bedeckung entstehen verschiedene Verhältnisse der bei- den Moleküle. Eine anfängliche CuPc Bedeckung von genau einer ML, oder darüber, führt zu einem Film mit einer PTCDA Bedeckung von ca. 0.1–0.2 ML. Aus den Heiz- experimenten am System CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) folgt also, dass bei erhöhten Temperaturen CuPc Moleküle den Platz von PTCDA Molekülen in der ersten Lage einnehmen. Gleichermaßen wird der Austausch, der für das System PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) bei 300 K erfolgt ist, wieder rückgängig gemacht. Das Erhitzen einer heteromolekularen Probe mit PTCDA Molekülen und SnPc bzw. CuPc Bedeckungen unterhalb einer ML auf 570 K resultiert in einer gemischten heteromolekularen ML, die eine langreichweitige laterale Ordnung besitzt. Auf diese Art und Weise kann das System CuPc + PTCDA/Ag(111) präpariert werden. Die Charakterisierung dieses Systems zeigt, dass es sich für eine detaillierte Analyse mit RPES eignet. In weiteren Experimenten werden heteromolekulare Filme, bestehend aus F4TCNQ und PTCDA Molekülen auf Ag(110) mit einer F4TCNQ Bedeckung von 1.0 ML, und darüber, erhitzt. Hierbei wer- den Submonolagenfilme von F4TCNQ auf Ag(110) erzeugt, die zusätzlich noch amor- phen Kohlenstoff enthalten. Daraus lässt sich schließen, dass ein Teil der F4TCNQ Moleküle beim Erhitzen auf diese Temperaturen zersetzt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden homomolekulare Multilagen-, Monolagen und Submololagenfilme auf einkristallinen Metalloberflächen mit RPES untersucht, um die dadurch erlangten Ergebnisse auf RPES Messungen an heteromolekularen Filmen anzu- wenden. Als erstes wird anhand von Messungen an Multilagenfilmen zweier Modell- moleküle (NTCDA und Coronen) die Abhängigkeit der Intensitätsvariation (einer Grup- pe) von Molekülorbitalsignalen von der Photonenenergie (hν) untersucht. Die gewon- nenen Daten werden durch den lokalen Charakter der elektronischen Übergänge in der Nahkantenröntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (NEXAFS) und der Realraum- wahrscheinlichkeitsdichte der beitragenden Molekülorbitale erklärt. Mit diesem ver- einfachten Denkansatz können relative Intensitätsvariationen über Größenordnungen be-schrieben werden, bei relativen Veränderungen der Intensität innerhalb der selben Grö- ßenordnung versagt diese Erklärung allerdings. Daraufhin wird die hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung von einem energetisch trennbaren Molekülorbitalsignal einer CuPc Multilage im Vergleich zu kleinen Molekülen in der Gasphase diskutiert und auf einen Effekt der Kopplung von Vibrationen an elektronische Übergänge zurückgeführt. Ein anschließender Vergleich dieser hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) von CuPc und SnPc Multilagen offen- bart den molekülspezifischen Charakter dieses Effekts. Danach wird gezeigt, dass für eine Multilage Coronen der selbe Effekt, allerdings mit der Beteiligung zweier (oder mehrerer) elektronischer Übergänge oder aneinander koppelnder Vibrationsmoden, zu sehen ist. Im Anschluss wird der Einfluss durch die Adsorption auf einer Metallober- fläche auf diesen Effekt untersucht und im Hinblick auf eine mögliche Beteiligung von Signalen diskutiert, in deren Entstehung Ladungstransfer beteiligt ist. Der Vergleich der RPES Messung eines Submonolagenfilms von SnPc auf Au(111) und den entsprechen- den Daten einer SnPc Multilage zeigt keinerlei sichtbare Veränderung. Demgegenüber wird für eine Submonolage CuPc auf Au(111) eine verminderte Intensitätsumverteilung in den Teil größerer Bindungsenergie (EB) des HOMO, im Vergleich zur einer CuPc Multilage, festgestellt. Vergleicht man die RPES Daten von einer Submonolage Coro- nen/Ag(111) mit denen des entsprechenden Multilagenfilms, erkennt man eine reso- nanzspezifische Veränderung der hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung, da sich nur in einer der beiden NEXAFS Resonanzen eine Veränderung dieses Effekts zwischen dem Submonolagen- und dem Multilagenfilm zeigt. Alle diese experimentellen Be- funde können mit einem einzigen Effekt und einem gemeinsamen Parametersatz erklärt werden. Dies sind alle Parameter, die benötigt werden, um die Potentialenergieober- flächen zu beschreiben, welche im RPES Prozess involviert sind. Dadurch kann eine Alternativerklärung, die auf dynamischem Ladungstransfer beruht, ausgeschlossen wer- den, was wiederum die folgende Ladungstransferanalyse mit RPES entscheidend beein- flusst. Eine solche Ladungstransferanalyse mit RPES kann durch den Nachweis von drei ver- schiedenen mit dynamischem Ladungstransfer assoziierten Signalen durchgeführt wer- den. Ein in den RPES Daten von einer Submonolage Coronen/Ag(111) detektiertes Sig- nal bei niedriger EB kann, durch die Zuordnung eines spezifischen Endzustandes, mit Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen Molekül und Metall hinweg in Verbin- dung gebracht werden. Folglich wird dieses Signal Ladungstransferzustand genannt. Im EB Bereich der am schwächsten gebundenen Molekülorbitalsignale zeigen RPES Messungen eine verbreiterte Linienform für diejenigen Molekülmetallgrenzflächensys- teme, welche ein Signal des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals (LUMO) in di- rekter PES aufweisen. Durch den Vergleich mit der Linienform des Ladungstransfer- zustandes kann eine mögliche Erklärung für diesen experimentellen Befund entwickelt werden, die diesen mit Ladungstransfer in Verbindung bringt. Als drittes Signal, das für eine Ladungstransferanalyse mit RPES herangezogen werden kann, dienen Signale konstanter kinetische Energie (EK ), welche sich in den RPES Daten einiger Molekül- metallgrenzflächensysteme zeigen. Die gemessene Energie dieser Signale kann für die Molekülmetallgrenzflächensysteme, welche kein Signal des LUMO in direkter PES auf- weisen, durch die Zuordnung des verantwortlichen Zerfallskanals und explizit ange- führte Vereinfachungen erfolgreich berechnet werden. Dadurch wird die Beteiligung von Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen Molekül und Metall im Erzeugungspro- zess dieser Signale konstanter EK gezeigt. In den RPES Daten der lateralen und ver- tikalen heteromolekularen Grenzflächensysteme, die im ersten Teil dieser Arbeit identi- fiziert wurden, wird dann letztendlich nach einem Beitrag dieser drei mit Ladungstrans- fer assoziierten Signale gesucht. Weder für das laterale heteromolekulare System CuPc + PTCDA/Ag(111) noch für das vertikale heteromolekulare System CuPc auf 1 ML PTCDA/Ag(111) kann, durch die Detektion eines dieser Signale, Ladungstransfer ent- lang der heteromolekularen Grenzfläche bestätigt werden. Als entscheidender Faktor für die physikalische Beschreibung von RPES am ersten System wird die Wechselwirkung zwischen Molekül und Metall identifiziert. Das zentrale Ergebnis für das zweite Sys- tem ist, dass keine Hinweise auf eine signifikante Hybridisierung an der Grenzfläche zwischen CuPc und PTCDA entdeckt werden können.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums dar. Dabei standen die Synthese und Charakterisierung neuer neutraler tetra-, penta- und hexakoordinierter Silicium(IV)-Komplexe sowie die Synthese, Charakterisierung und Reaktivität eines neuartigen Donor-stabilisierten Silylens im Vordergrund. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Silan 16, die neutralen tetrakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 36, 37', 38'·C6H5CH3, 40'∙C6H5CH3, 41 und 42, die neutralen pentakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 2‒8, 10·0.5C6H5CH3, 11, 12, 15, 17‒20 und 39', die neutralen hexakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 21‒23, das Donor-stabilisierte trikoordinierte Silylen 25, der neutrale tetrakoordinierte Silicium(II)-Komplex 35 sowie das Lithiumamidinat 1·2Et2O erstmalig dargestellt und charakterisiert. Die Charakterisierung dieser Verbindungen erfolgte durch NMR-Spektroskopie in Lösung und im Festkörper, durch Kristallstrukturanalyse sowie durch Elementaranalyse. Die Synthesen und Eigenschaften dieser Verbindungen können wie folgt zusammengefasst werden: Synthese und Charakterisierung neutraler pentakoordinierter Silicium(IV)-Komplexe Ausgehend von entsprechenden Silicium(IV)-haltigen Vorstufen wurden die neutralen pentakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 2‒8, 10·0.5C6H5CH3, 11, 12, 15 und 17‒20 dargestellt. So konnten die Verbindungen 2, 5, 7 und 8 durch Umsetzung der entsprechemden Trichlorsilane bzw. Tetrachlorsilan mit 1 in Diethylether erhalten werden. Diese Verbindungen besitzen an den beiden Stickstoff-Atomen des Amidinato-Liganden jeweils eine sterisch sehr anspruchsvolle Diisopropylphenyl-Einheit (Dipp), welche den Einbau eines zweiten Amidinato-Liganden nicht zulässt und sich so ausschließlich pentakoordinierte Silicium(IV)-Komplexe bilden. Durch Weiterreaktion von 2 und 5 mit Lithiumdimethyl- bzw. Kaliumbis(trimethylsilyl)amid entstanden die Komplexe 3, 4 und 6. Die Si-Koordinationspolyeder von 2‒8 im Kristall entsprechen denen von stark verzerrten trigonalen Bipyramiden, wobei die Stickstoff-Atome des Amidinato-Liganden eine axiale bzw. äquatoriale Position besetzen. Die zweite axiale Position wird jeweils von einem Chloro-Liganden eingenommen. Die genannten Verbindungen besitzen alle einen stark gespannten viergliedrigen SiN2C-Ring mit mehr oder weniger stark ausgeprägter Elektronendelokalisation innerhalb de N‒C‒N-Fragmentes, welcher durch den Amidinato-Liganden mit dem Si-Koordinationszentrum gebildet wird und hauptverantwortlich für die starke Verzerrung der Si-Koordinationspolyeder ist. Die Verbindungen 10·0.5C6H5CH3, 11 und 12 entstanden durch Umsetzung der entsprechenden Trichlorsilane mit 9 und zwei Moläquivalenten Triethylamin in Tetrahydrofuran. Durch Weiterreaktion von 11 mit Benzolthiol bzw. Benzolselenol und Triethylamin in Tetrahydrofuran wurden die Komplexe 18 und 19 gebildet. Die Verbindungen 15 und 20 entstanden mittels einer Transsilylierungsreaktion von 14 mit Azidotrimethylsilan bzw. 11 mit Trimethylsilyl(phenyl)tellurid in Tetrahydrofuran. Verbindung 17 wurde durch Umsetzung von Cl2Si(OPh)Me (16) mit 9 und zwei Moläquivalenten Triethylamin in Tetrahydrofuran erhalten. Die Si-Koordinationspolyeder von 10·0.5C6H5CH3, 11, 12, 15 und 17‒20 im Kristall entsprechen denen von stark verzerrten trigonalen Bipyramiden, wobei der tridentate N,N',S- bzw. N,N',O-Ligand zwei Fünfringe mit dem Si-Koordinationszentrum ausbildet. Das Pyridin-Stickstoff- und das Schwefel-Atom des N,N',S-Liganden (bzw. Sauerstoff-Atom des N,N',O-Liganden) besetzen die axialen Bindungspositionen. Synthese und Charakterisierung neutraler hexakoordinierter Silicium(IV)-Komplexe Die neutralen hexakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 21 und 22 wurden durch Umsetzung von Trichlorsilan mit zwei Moläquivalenten des entsprechenden Lithiumamidinats in Diethylether dargestellt. Die Si-Koordinationspolyeder von 21 und 22 im Kristall entsprechen denen von stark verzerrten Oktaedern, wobei jeweils eines der beiden Stickstoff-Atome der zwei Amidinato-Liganden trans zueinander angeordnet sind. Die beiden anderen Stickstoff-Atome der Amidinato-Liganden befinden sich in trans-Position zum Chloro- bzw. Hydrido-Liganden. Der neutrale hexakoordinierte Silicium(IV)-Komplex 23 wurde durch Umsetzung des pentakoordinierten Silicium(IV)-Komplexes 11 mit 8-Hydroxychinolin und Triethylamin in Tetrahydrofuran dargestellt. Das Si-Koordinationspolyeder von 23 im Kristall entspricht dem eines stark verzerrten Oktaeders, wobei der dreizähnige N,N',S-Ligand eine mer-Anordnung einnimmt und das Chinolin-Stickstoff-Atom und das Kohlenstoff-Atom des Methyl-Liganden trans zueinander stehen. Mit den hier beschriebenen Synthesen konnte gezeigt werden, dass pentakoordinierte Chlorosilicium(IV)-Komplexe ‒ wie beispielsweise 2, 5 oder 11 ‒ sehr gut geeignete Ausgangsstoffe für die Darstellung neuartiger penta- und hexakoordinierter Silicium(IV)-Verbindungen darstellen. Synthese und Charakterisierung eines neuartigen Donor-stabilisierten Silylens Nachdem alle Versuche, ein entsprechendes Donor-stabilisiertes Silylen durch Basen-induzierte reduktive HCl-Eliminierung der penta- bzw. hexakoordinierten Chlorohydridosilicium(IV)-Komplexe 2‒4, 21 und 22 darzustellen, fehlschlugen, wurde daraufhin der pentakoordinierte Dichlorosilicium(IV)-Komplex 6 mit zwei Moläquivalenten elementarem Kalium in Tetrahydrofuran erfolgreich zum trikoordinierten Donor-stabilisierten Silylen 25 umgesetzt. Das Si-Koordinationspolyeder von 25 entspricht dem eines stark verzerrten (Pseudo)tetraeders, wobei die drei Bindungspositionen von den Stickstoff-Atomen und eine vierte von dem freien Elektronenpaar eingenommen werden. Die starke Verzerrung ist auf den stark gespannten viergliedrigen SiN2C-Ring des Komplexes zurückzuführen. Reaktivität des Donor-stabilisierten Silylens 25 Der trikoordinierte Silicium(II)-Komplex 25 reagierte mit Eisenpentacarbonyl in Toluol im Sinne einer nukleophilen Substitutionsreaktion unter Ausbildung einer Si–Fe-Bindung zum neutralen tetrakoordinierten Silicium(II)-Komplex 35. Das Si-Koordinationspolyeder von 35 im Kristall entspricht dem eines stark verzerrten Tetraeders. Das Fe-Koordinationspolyeder entspricht dem einer stark verzerrten trigonalen Bipyramide, wobei der sterisch sehr anspruchsvolle Silylen-Ligand interessanterweise eine axiale Bindungsposition am Eisen-Koordinationszentrum einnimmt. Desweiteren wurde 25 mit den Aziden Me3SiN3, PhSCH2N3 und (PhO)2P(O)N3 in Toluol im Sinne einer oxidativen Addition unter Abspaltung von elementarem Stickstoff zu 36, 37' bzw. 38'·C6H5CH3 umgesetzt. Bemerkenswert ist, dass bei der Reaktion mit PhSCH2N3 zu 37' eine Umlagerungsreaktion stattfindet, wobei eine Si–S-Bindung geknüpft und ein Si–N=CH2-Fragment gebildet wird. Bei der Reaktion von 25 mit (PhO)2P(O)N3 zu 38'·C6H5CH3 wird ein Sauerstoff-verbrücktes Dimer gebildet, wodurch ein achtgliedriger Ring mit zwei Silicium(IV)-Zentren aufgebaut wird. Die Si-Koordinationspolyeder von 36, 37' und 38'·C6H5CH3 im Kristall entsprechen denen von stark verzerrten Tetraedern, wobei der Amidinato-Ligand nur in Verbindung 36 bidentat an das Silicium-Zentrum koordiniert ist, während für 37' und 38'·C6H5CH3 ein monodentater Koordinationsmodus beobachtet wird. Durch Umsetzung von 25 mit N2O, S, Se bzw. Te in Toluol entstanden ebenfalls im Sinne einer oxidativen Addition die tetra- bzw. pentakoodinierten Silicium(IV)-Komplexe 39', 40'·C6H5CH3, 41 und 42. Die Verbindungen 39' und 40'·C6H5CH3 sind Dimere der eigentlichen Zielverbindungen 39 und 40, wobei 40' bei höheren Temperaturen zu dem Monomer 40 dissoziiert, welches dann nach Abkühlen auf Raumtemperatur auch in Lösung stabil ist. Die Verbindungen 41 sowie 42 bilden jedoch ausschließlich Monomere. Die Si-Koordinationspolyeder von 39' im Kristall entsprechen dem einer stark verzerrten trigonalen Bipyramide, während die Si-Koordinationspolyeder von 40'·C6H5CH3, 41 und 42 denen eines stark verzerrten Tetraeders entsprechen. Dabei ist der Amidinato-Ligand in 39', 41 und 42 bidentat, in 40'·C6H5CH3 dagegen monodentat an das Silicium-Koordinationszentrum koordiniert ist. Mit den hier beschriebenen Synthesen konnte gezeigt werden, dass das Donor-stabilisierte Silylen 25 ein außergewöhnliches Reaktivitätsspektrum aufweist und damit ein sehr interessantes Synthesepotential zur Darstellung neuartiger Silicium(II)- und Silicium(IV)-Komplexe besitzt. / This thesis deals with the chemistry of higher-coordinate silicon, with a special emphasis on the synthesis and characterization of novel neutral tetra-, penta- and hexacoordinate silicon(IV) compounds, as well as the synthesis, characterization, and reactivity studies of a novel donor-stabilized silylene. In the course of these studies, the silane 16, the neutral tetracoordinate silicon(IV) complexes 36, 37', 38'·C6H5CH3, 40'·C6H5CH3, 41, and 42, the neutral pentacoordinate silicon(IV) complexes 2‒8, 10·0.5C6H5CH3, 11, 12, 15, 17‒20, and 39', the neutral hexacoordinate silicon(IV) complexes 21‒23, the donor-stabilized tricoordinate silylene 25, the neutral tetracoordinate silicon(II) complex 35, and the lithium amidinate 1·2Et2O were synthesized and characterized for the first time. All of these compounds were characterized by NMR spectroscopy in the solid state and in solution, single-crystal X-ray diffraction, and elemental analyses. The syntheses and properties of these compounds can be summarized as follows: Synthesis and characterization of neutral pentacoordinate silicon(IV) complexes The neutral pentacoordinate silicon(IV) complexes 2‒8, 10·0.5C6H5CH3, 11, 12, 15 and 17‒20 were synthesized, starting from suitable silicon(IV) containing precursors. Compounds 2, 5, 7, and 8 were obtained by reaction of the respective trichlorosilanes or tetrachlorosilane with 1 in diethyl ether. These compounds contain a sterically demanding diisopropylphenyl unit (Dipp) at each of the two nitrogen atoms of the amidinato ligand, which prevents the introduction of a second amidinato ligand, and therefore only pentacoordinate silicon(IV) complexes were obtained. In a subsequent reaction of 2 and 5 with lithium dimethyl or potassium bis(trimethylsilyl) amide, the complexes 3, 4, and 6 were formed. The silicon coordination polyhedra of 2‒8 in the crystal are strongly distorted trigonal bipyramids, in which the nitrogen atoms of the amidinato ligand occupy an axial and an equatorial position, respectively. All these compounds contain a strongly strained four-membered SiN2C ring with a more or less distinct electron delocalization within the N–C–N fragment, which is built up by the amidinato ligand and the silicon coordination center, and which is primarily responsible for the strong distortion of the silicon coordination polyhedra. Complexes 10·0.5C6H5CH3, 11, and 12 were obtained by treatment of the respective trichlorosilanes with 9 and two molar equivalents of triethylamine in tetrahydrofuran. Subsequent reaction of 11 with benzenethiol and benzeneselenol, respectively, and triethylamine in tetrahydrofuran yielded the complexes 18 and 19. Compounds 15 and 20 were synthesized by a transsilylation reaction of 14 with azidotrimethylsilane in acetonitrile or 11 with phenyl trimethylsilyl telluride in tetrahydrofuran. Compound 17 was obtained by treatment of Cl2Si(OPh)Me (16) with 9 and two molar equivalents of triethylamine in tetrahydrofuran. The silicon coordination polyhedra of 10·0.5C6H5CH3, 11, 12, 15, and 17‒20 in the crystal are strongly distorted trigonal bipyramids, in which the tridentate N,N',S or N,N',O ligand forms two five-membered rings with the silicon coordination center. The pyridine nitrogen and sulfur atom of the N,N',S ligand (or the oxygen atom of the N,N',O ligand) occupy the two axial positions. Synthesis and characterization of neutral hexacoordinate silicon(IV) complexes The neutral hexacoordinate silicon(IV) complexes 21 and 22 were synthesized by treatment of trichlorosilane with two molar equivalents of the respective lithium amidinate in diethyl ether. The silicon coordination polyhedra of 21 and 22 in the crystal are strongly distorted octahedra, in which one of the two nitrogen atoms each of the two amidinato ligand are trans to each other. The two other nitrogen atoms of the amidinato ligands are in trans position to the chloro or hydrido ligand. The neutral hexacoordinate silicon(IV) complex 23 was obtained by treatment of the pentacoordinate silicon(IV) complex 11 with 8-hydroxychinoline and triethylamine in tetrahydrofuran. The silicon coordination polyhedron of 23 in the crystal is a strongly distorted octahedron, in which the tridentate N,N',S ligand forms a mer arrangement and the chinoline nitrogen atom and the carbon atom of the methyl ligand are trans to each other. With the syntheses described above, it could be demonstrated that pentacoordinate chlorosilicon(IV) complexes, such as 2, 5 or 11, are versatile precursors for the synthesis of novel penta- and hexacoordinate silicon(IV) compounds. Synthesis and characterization of a novel donor-stabilized silylene After all attempts to synthesize the respective donor-stabilized silylenes by base-induced reductive HCl elimination of the penta- and hexacoordinate silicon(IV) complexes 2‒4, 21, and 22 failed, the neutral pentacoordinate dichlorosilicon(IV) complex 6 was treated with two molar equivalents of elemental potassium in tetrahydrofuran to yield the tricoordinate donor-stabilized silylene 25 The silicon coordination polyhedron of 25 in the crystal is a strongly distorted (pseudo)tetrahedron, in which three binding positions are occupied by the nitrogen atoms and a fourth position by the lone pair. The strong distortion can be attributed to the strongly strained four-membered SiN2C ring of the complex. Reactivity of the donor-stabilized silylene 25 The tricoordinate silicon(II) complex 25 reacts with iron pentacarbonyl in toluene in terms of a nucleophilic substitution reaction to yield the neutral tetracoordinate silicon(II) complex 35 with an Si–Fe bond. The silicon coordination polyhedron of 35 in the crystal a strongly distorted tetrahedron. The iron coordination polyedron is a strongly distorted trigonal bipyramid, in which the sterically demanding silylene ligand occupies an axial position. Furthermore, compound 25 was treated with the azides Me3SiN3, PhSCH2N3 and (PhO)2P(O)N3 in toluene in terms of an oxidatve addition reaction, under elimination of elemental nitrogen, to yield 36, 37', and 38'·C6H5CH3, respectively. Remarkably, a rearrangement takes place in the reaction with PhSCH2N3 to afford compound 37', which contains an Si–SPh and Si–N=CH2 fragment. The reaction of 25 with (PhO)2P(O)N3 leads to the oxygen-bridged dimer 38'·C6H5CH3, which contains an eight-membered ring with two silicon(IV) centers. The silicon coordination polyhedra of 36, 37', and 38'·C6H5CH3 in the crystal are strongly distorted tetrahedra. In compounds 37' and 38'·C6H5CH3, the amidinato ligand binds in a monodentate fashion, whereas a bidentate coordination mode was observed for 36. Treatment of 25 with N2O, S, Se, or Te in toluene leads to respective tetra- and pentacoordinate silicon(IV) complexes 39', 40'·C6H5CH3, 41, and 42, also in terms of oxidative addition reactions. Compounds 39' and 40'·C6H5CH3 are dimers of the monomeric target compounds 39 and 40. Upon heating, however, dimer 40' dissociates to the monomer 40, which upon cooling to room temperature is stable in solution. Compounds 41 and 42 exist only as monomers. The silicon coordination polyhedron of 39' in the crystal is a strongly distorted trigonal bipyramid, whereas the silicon coordination polyhedra of 40'·C6H5CH3, 41, and 42 are strongly distorted tetrahedra. In compounds 39', 41, and 42, the amidinato ligand binds in a bidentate fashion, whereas a monodentate coordination mode was observed for40'·C6H5CH3. With the syntheses discribed above, it could be demonstrated that the donor-stabilized silylene 25 shows remarkable reactivity profile and a very interesting synthetic potential for the preparation of novel silicon(II) and silicon(IV) complexes.

In this thesis, theoretical approaches for the simulation of electron detachment processes in molecules following vibrational or electronic excitation are developed and applied. These approaches are based on the quantum-classical surface-hopping methodology, in which nuclear motion is treated classically as an ensemble of trajectories in the potential of quantum-mechanically described electronic degrees of freedom. / Im Rahmen dieser Arbeit werden theoretische Verfahren zur Simulation von molekularen Ionisierungsprozessen nach elektronischer oder Schwingungsanregung entwickelt und angewendet. Diese Verfahren basieren auf der quanten-klassischen Surface-Hopping-Methode, in welcher die Kernbewegung durch ein Ensemble klassischer Trajektorien im Potenzial quantenmechanisch beschriebener Elektronen behandelt wird.

The present work reports on the electron–vibron coupling in large organic molecules and particularly on the intermolecular interaction in molecular condensates. The optical and electrical properties of these organic systems are in the focus of attention due to their crucial importance for the development of (hybrid) organic electronic devices. In particular, the charge transport mechanism and hence the interaction between condensed molecules is a matter of debate [1–4]. In order to shed light on this interaction, the spectroscopic signatures of isolated molecules in the gas phase and their condensed counterparts have been studied. The applied technique, near–edge x–ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, is a local probe with high chemical selectivity, well suited for the investigation of the electronic structure of molecular valence levels [5]. In the experimental part, the experimental set–up developed in this work is described with special attention to the characteristic issues of gas phase measurements, energy calibration and the subsequent data evaluation. The high quality gas phase and solid state NEXAFS spectra are analysed with respect to energy positions, shape and intensity of the sharp pi*–resonances characteristic for these aromatic molecules. Where applicable, a detailed Franck–Condon (FC) analysis of the vibronic fine structure has been performed, yielding additional information on the changes that occur upon solid state formation. Together with former results on vibrational features in large organic molecules, this information has been used to investigate the correlation of vibrational energies in the ground and electronically excited state. We find a relatively good agreement with other empirical studies on vibronic structures in photoelectron spectroscopy (PES) spectra of small molecules [6]. The molecular compounds investigated are in general believed to interact via weak van–der–Waals forces only. The present results however reveal distinct differences between the spectra of the gas and solid phase that can not be explained within the context of a mere interaction by dispersive forces. In detail, differential red–shifts of 0.1 to 0.3eV of transitions assigned to the aromatic system have been observed in the C–K spectra of benzene–tetracarboxylic acid dianhydride (BTCDA), 1,4,5,8–naphthalene–tetracarboxylic acid dianhydride (NTCDA), and 3,4,9,10–perylene–tetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA) upon solid state formation. From BTCDA to PTCDA the shift increases, indicating an improving intermolecular interaction with molecular size or a closer molecular packing. In contrast, all transitions assigned to the anhydride carbon atom (C1) do not show any shift. For the O–K spectra, small changes in relative intensity have been observed for BTCDA and NTCDA. In case of PTCDA, a blue–shift of up to 0.2eV is evident for the OB 1sLEMO+1 transition. Theoretical models for the intermolecular interaction have been proposed in this work, based on a change of molecular geometry and interaction of adjacent molecules in the ground and excited state, respectively. While an interaction of adjacent molecular orbitals may explain the experimental findings for one particular molecule, this model falls short for a comprehensive explanation of all three dianhydrides. For an interaction in the excited state, the excitonic coupling with the neighbours attached at an angle, quantum chemical calculations yield no significant change in peak positions for NTCDA. Unfortunately, results for the stacked neighbours as well as the larger compound PTCDA are still lacking. For tris (8–quinolinol) aluminum (Alq3), the observed peak–shifts are restricted to just one unoccupied orbital, the LEMO+2, which is mainly localised at the phenoxide side of the quinolinol ligands. Although the shifts differ for the individual edges, the main interaction can therefore be assigned to this orbital. In summary, NEXAFS spectroscopy, if performed with great care in terms of experimental details and data analysis especially for the gas phase data, provides very detailed and highly interesting data on the changes of the electronic structure of organic molecules upon condensation. The present data can be applied as a reference for further experimental and (highly desired) theoretical investigations, which are needed for a comprehensive understanding of the complex interaction mechanisms between organic molecules. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Kopplung vibronischer und elektronischer Anregungen in großen organischen Molekülen. Die Mechanismen des Ladungstransportes und damit auch die zu Grunde liegende Wechselwirkung dieser Moleküle im Festkörper sind immer noch Gegenstand aktueller Diskussionen [1–4]. Mit der Untersuchung der spektroskopischen Eigenschaften von einerseits freien, also gasförmigen Molekülen, andererseits von (stark) wechselwirkenden Molekülen im Festkörper soll mit der vorliegenden Arbeit ein Beitrag zum besseren Verständnis der intermolekularen Wechselwirkung geleistet werden. Als Methode wurde die Röntgen–Nahkanten–Spektroskopie (NEXAFS) angewandt, die durch ihre chemische Selektivität lokale Informationen über die elektronische Struktur der Valenzzustände der untersuchten organischen Moleküle liefern kann [5]. Im experimentellen Teil wird eine Apparatur zur Untersuchung der organischen Moleküle in der Gasphase, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, vorgestellt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Besonderheiten der Gasphasenmessungen sowie der Energiekalibrierung und anschließenden Datenauswertung. Die qualitativ hochwertigen Spektren werden nach Gesichtspunkten der energieposition, Form und Intensität der für die organischen Moleküle typischer Weise sehr scharfen pi* Resonanzen ausgewertet. Für Spektren mit gut aufgelöster Feinstruktur wurde die darunter liegende Schwingungsstruktur mit Hilfe einer Franck–Condon Auswertung untersucht, woraus sich weitere Informationen über die Einflüsse im Festkörper gewinnen ließen. Die dabei gesammelten Daten wurden zusammen mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen der Schwingungsfeinstruktur organischer Moleküle herangezogen, um den Zusammenhang zwischen den Schwingungsenergien im elektronisch angeregten und im Grundzustand zu bestimmen. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung mit empirischen Untersuchungen der Schwingungsstruktur kleiner Moleküle anhand von Photoelektronenspektroskopie (PES) [6]. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen ausgeprägte Unterschiede in den Spektren der verschiedenen Phasen, die sichnicht im Rahmen einer Wechselwirkung durch rein dispersive Kräfte erklären lassen. Im Einzelnen traten zwischen den Gasphasen– und Festkörperspektren der C–K Kanten von 1,2,4,5–Benzoltetracarbonsäuredianhydrid BTCDA, 1,4,5,8–Naphthalintetracarbonsäuredianhydrid NTCDA und 3,4,9,10–Perylentetracarbonsäuredianhydrid PTCDA Rotverschiebungen von 0,1 bis 0,3eV auf. Die entsprechenden elektronischen Übergänge sind jeweils dem aromatischen System zugeordnet und zeigen in der Reihe von BTCDA zu PTCDA eine zunehmende Verschiebung. Dies deutet auf eine verstärkte Wechselwirkung bei größeren Molekülen, beziehungsweise bei einer dichteren Packung hin. Übergänge die dem Anhydrid Kohlenstoff (C1) zugeordnet sind, zeigen jedoch keinerlei Verschiebung. Die Spektren der O–K Kanten von BTCDA und NTCDA weisen lediglich eine leichte Veränderung der relativen Intensitäten auf. Im Falle von PTCDA wurde eine Blauverschiebung von bis zu 0,2eV für den OB 1s LEMO+1 Übergang beobachtet. In dieser Arbeit werden einige theoretische Modelle vorgeschlagen, die auf einer Änderung der Molekülgeometrie bzw. einer Wechselwirkung der Molekülorbitale sowohl im Grund– als auch im angeregten Zustand basieren. Betrachtet man lediglich eine einzelne Molekülsorte, so liefert z.B. eine Wechselwirkung der Orbitale benachbarter Moleküle eine zufriedenstellende Erklärung für die beobachteten Änderungen. Bei einer umfassenden Betrachtung aller Moleküle der Dianhydrid Gruppe scheitert dieses Modell jedoch. Erste quantenchemische Berechnungen der Wechselwirkung mittels einer exzitonischen Kopplung der NTCDA Moleküle mit ihren gewinkelten Nachbarn lieferten keine nennenswerten Verschiebungen der Resonanzenergien. Weiterführende Rechnungen dieser Art stehen jedoch für die gestapelten Nachbarn sowie für das größere PTCDA noch aus. Bei dem Molekül Tris(8-chinolinol)aluminium Alq3 lassen sich alle beobachteten Verschiebungen einem Orbital, dem LEMO+2 zuordnen. Obwohl die Verschiebungen für die verschiedenen Absorptionskanten unterschiedlich sind, lässt sich die Wechselwirkung des Moleküls somit diesem Orbital, das an der Phenolat Seite des Liganden lokalisiert ist, zuordnen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Röntgen–Nahkanten Spektroskopie hochinteressante und sehr genaue Informationen über die Änderung der elektronischen Struktur organischer Moleküle beim Übergang in die kondensierte Phase liefern kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als eine Referenz für zukünftige experimentelle und theoretische Untersuchungen betrachtet werden. Für ein umfassendes Verständnis der komplexen Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen sind diese weiteren Untersuchungen unabdingbar.

Die Bildung verschiedener Isomere durch Änderung der molekularen Struktur spielt eine wichtige Rolle in vielen Gebieten der Physik, Chemie und Biologie. Die Kontrolle dieser Reaktionen ist daher eine sehr interessante Herausforderung und von großer Bedeutung für viele verschiedene Bereiche. Die Entwicklung der letzten Jahre hat gezeigt, dass adaptive Femtosekunden Quantenkontrolle eine ausgesprochen geeignete Methode ist, um chemische Reaktionen zu kontrollieren. Die vorliegende Arbeit behandelt die Beobachtung und Kontrolle von solchen Isomerisierungsreaktionen in biologisch und chemisch relevanten Systemen. Dazu wurde die Reaktionsdynamik eines in Methanol gelösten Modellmoleküls mittlerer Größe mittels transienter Absorption, Fluorescence Upconversion und Anisotropie Spektroskopie untersucht. In Kooperation mit F. Santoro und R. Improta konnte eine detaillierte Beschreibung der ablaufenden Prozesse gefunden werden. In Übereinstimmung mit den von ihnen durchgeführten quantenmechanischen Simulationen hat sich herausgestellt, dass sich die Dynamik auf der ersten angeregten Potentialfläche nach der Anregung auf zwei Zeitskalen abspielt. Nach dem Passieren einer konische Durchschneidung isomerisiert das Molekül entweder zum thermodynamisch stabileren trans Isomer oder zu den instabileren Produktisomeren. An diesem System wurden nun adaptive Femtosekunden Quantenkontrollexperimente durchgeführt, mit dem Ziel den Isomerisierungsprozess zu beeinflussen. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Isomerisierungseffizienz (die relative Menge von Edukt- zu Produktisomeren) sowohl erhöht als auch verringert werden kann. Einzel-Parameter Kontrollmechanismen wie zum Beispiel das Verwenden verschieden gechirpter Anregeimpulse oder unterschiedlicher Anregeimpulsenergien ergaben einen nur geringen Einfluss auf die Isomerisierungseffizienz. Diese Kontrollstudien über den Isomerisierungsprozess haben weiterführende Experimente an dem sehr komplexen biologischen System Retinal innerhalb des Proteins Bakteriorhodopsin motiviert. Die traditionelle Anrege-Abrege-Abfrage Technik wurde zu einem neuen Anrege-geformten-Abrege-Abfrage Konzept erweitert. Dadurch können molekulare Systeme in den Regionen der Potentialenergie-Landschaft kontrolliert werden, in denen der entscheidende Reaktionsschritt stattfinded. Verschiedene theoretische Berechnungen zum Problem der Erhöhung der Isomerisierungseffizienz stellen in Aussicht, dass Anrege-Abrege-Wiederanrege-Abfrage Mechanismen eine Möglichkeit der effektiven Beeinflussung der Reaktionsdynamik eröffnen. Mit der weiterentwickelten Methode können solche Vier-Puls-Techniken realisiert und ihr Einfluss auf den Reaktionsprozess systematisch untersucht werden. Zusätzlich wurde mittels Variation von parametrisierten spektralen Phasenfunktionen, wie verschiedene Ordnungen Chirp, die Dynamik des Abregungsprozesses beleuchtet. Durch Formen des Abregungsimpulses mittels adaptiver Femtosekunden Quantenkontrolle wurden die Informationen aus den systematische Untersuchung vervollständigt. Häufig sind die aus einem adaptiven Femtosekunden Quantenkontrollexperiment erhaltenen optimalen Laserimpulsformen sehr kompliziert. Besonders Anrege-Abrege Szenarien spielen oft eine wichtige Rolle in den ermittelten optimalen Lösungen und sollten daher gesondert untersucht werden. Dazu können verschiedenfarbige Doppelimpulse verwendet werden, bei denen man sowohl den Pulsabstand als auch die relative Amplitude oder die Phasendifferenz der beiden Einzellpulse systematisch ändert. Diese weiterentwickelte Methode wurde mittels einfacher Experimente charakterisiert. In einem weiteren Schritt wurde ein Aufbau entworfen, der Doppelimpulse erfordert, um ein maximale Ausbeute von Licht bei einer Wellenlänge von 266~nm zu erhalten. Mit dem Kontrollziel der maximalen dritten Harmonischen Ausbeute wurden adaptive Femtosekunden Quantenkontrollexperimente durchgeführt. Durch zusätzliche Messungen von verschiedenfarbigen Doppelimpuls-Kontrolllandschaften konnte die optimale Pulsform ermittelt und bestätigt werden. In einem abschließenden Experiment wurde die Abhängigkeit der Anregeeffizienz eines komplexen, in Methanol gelösten Farbstoffmoleküls auf verschiedene Impulsformen untersucht. Aus den Ergebnissen wird ersichtlich, dass sehr unterschiedliche Impulsformen ein Kontrollziel ähnlich gut erfüllen können. Verschiedenfarbige Doppelimpuls-Kontrolllandschaften können einen Einblick in Kontrollmechanismen von adaptiv gefundenen Impulsformen ermöglichen und Informationen über die Reaktionsdynamik liefern. Mittels der angewandten und weiterentwickelten Methoden mehr über verschiedene Prozesse unterschiedlicher Molekülklassen zu lernen ist ein viel versprechendes und realistisches Ziel für die Zukunft. Die präsentierten Experimente zeigen, dass es möglich ist, geometrische Änderungsreaktionen in chemisch und biologisch relevanten Systemen durch adaptive Femtosekunden Quantenkontrolle zu steuern. / The formation of different isomers by rearrangement of the molecular structure plays a substantial role in many areas in physics, chemistry and biology. The control of such reactions is therefore a very appealing task. Directly connected to the control is the observation and characterization of the dynamics. Within the last years, adaptive femtosecond quantum control has proven to be a very powerful tool to control chemical reactions. Prototype experiments based on simple reactions already have shown that the concept of femtosecond quantum control is also applicable for molecules in a condensed environment. This thesis deals with the observation and control of such isomerization reactions in chemically and biologically relevant systems. Therefore the reaction dynamics of a medium size prototype molecule of the family of the cyanine dyes in solution were investigated by transient absorption spectroscopy, by fluorescence upconversion and by anisotropy spectroscopy. In cooperation with F. Santoro and R. Improta a detailed and reliable description of the overall kinetics was achieved, evidencing a two-timescale dynamics on the first excited potential energy surface after excitation. After decaying through a conical intersection, the molecule isomerizes either to the thermodynamically most stable trans isomer or to two less stable product isomers. Adaptive femtosecond quantum control experiments were performed on this system with the objective to control the isomerization process. Both enhancement as well as reduction of the isomerization efficiency, i.e the relative yield of the educt to the product isomers, were achieved. Single parameter control mechanisms such as applying different chirps or varying the excitation laser pulse energy failed to change the ratio of the photoproducts. These control studies on the isomerization process of a medium size molecule in the condensed phase motivated experiments on the very complex biological system of retinal embedded in bacteriorhodopsin. The traditional pump-dump-probe method was extended to a new pump-shaped-dump-probe scheme to control molecular systems in those regions of the potential-energy landscape where the decisive reaction step occurs. Different theoretical simulations on the enhancement of the isomerization yield predict that pump-dump-repump-probe mechanisms can control the reaction dynamics. Using the novel scheme, such a four-pulse technique with a double-pulse-like shaped dump pulse can be realized and its impact on the reaction process can be systematically investigated. With further parameterized scans of specialized phase functions, such as different orders of chirp, the dynamics of the dumping process has been illuminated. Finally by adaptively shaping the dump pulse the information from the systematic scan has been refined and completed. Very often, adaptively obtained optimal laser pulse shapes are very complicated and can contain structures, that contribute to a certain control mechanism to different degrees. Consequently, it can be difficult to identify the control mechanism of such optimal pulses. Especially pump-dump scenarios often play an important role in the acquired optimal solution and therefore deserve to be investigated separately. For this, colored double pulses are employed and both the pulse separation and the relative amplitude or phase difference of the two subpulses are systematically scanned. This further developed method was first characterized by simple experiments. Then, a setup forcing double-pulses to obtain the highest third harmonic yield was designed. The control objective of maximizing the third harmonic yield has the advantage that the optimal pulse shape can be calculated and intuitively understood. Adaptive femtosecond quantum control experiments were performed with this control objective. With additional measurements of colored double-pulse control landscapes the control mechanism of the adaptively obtained optimal pulse shape can be extracted and confirmed. In a further experiment, the dependence of the excitation efficiency of a complex dye molecule dissolved in methanol on selected pulse shapes probed by transient absorption spectroscopy was studied. The results show that very different pulse shapes are equally adequate to fulfill the control objective. Colored double pulse scans thus can give an insight into the control mechanism of adaptively obtained pulse shapes and provide information about reaction dynamics. Investigations on various processes of different molecular classes using the methods developed and applied here are a promising and realistic goal for the near future. The presented experiments demonstrate a successful manipulation of geometrical rearrangement reactions in chemically and biologically relevant systems by adaptive femtosecond quantum control.

In the context of this thesis, the novel method soft X-ray energy-dispersive NEXAFS spectroscopy was explored and utilized to investigate intermolecular coupling and post-growth processes with a temporal resolution of seconds. 1,4,5,8- naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride (NTCDA)multilayer films were the chosen model system for these investigations. The core hole-electron correlation in coherently coupled molecules was studied by means of energy-dispersive near-edge X-ray absorption fine-structure spectroscopy. A transient phase was found which exists during the transition between a disordered condensed phase and the bulk structure. This phase is characterized by distinct changes in the spectral line shape and energetic position of the X-ray absorption signal at the C K-edge. The findings were explained with the help of theoretical models based on the coupling of transition dipole moments, which are well established for optically excited systems. In consequence, the experimental results provides evidence for a core hole-electron pair delocalized over several molecules. Furthermore, the structure formation of NTCDA multilayer films on Ag(111) surfaces was investigated. With time-resolved and energy-dispersive NEXAFS experiments the intensity evolution in s- and p-polarization showed a very characteristic behavior. By combining these findings with the results of time-dependent photoemission measurements, several sub-processes were identified in the post- growth behavior. Upon annealing, the amorphous but preferentially flat-lying molecules flip into an upright orientation. After that follows a phase characterized by strong intermolecular coupling. Finally, three-dimensional islands are established. Employing the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model, the activation energies of the sub-processes were determined. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten der neuartigen Methode energiedispersive Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie für die Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen und zeitabhängiger Prozesse während der Strukturbildung aufgezeigt. Als Modellsystem wurden hierbei 1,4,5,8- Naphthalin-Tetracarboxyls¨aure-Dianhydrid-(NTCDA-) Filme verwendet. Es wurde die Rumpfloch-Elektronen-Wechselwirkung kohärent gekoppelter Moleküle mittels energiedispersiver Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie untersucht. Dabei wurde eine Übergangsphase gefunden, die während der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung zeitlich zwischen der ungeordneten und der Volumenstruktur auftritt. Diese Übergangsphase zeichnete sich durch eine charakteristische Änderung der spektralen Linienform und ihrer energetischen Position bei Messungen an der C K-Kante aus. Die experimentellen Befunde lassen sich mit Hilfe theoretischer Modelle erklären, welche die Kopplung von Übergangsdipolmomenten beschreiben. Diese theoretischen Konzepte sind bei optisch angeregten Systemen etabliert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen den über mehrere Moleküle delokalisierten Charakter des Rumpfloch-Elektron-Paars. Zudem wurde die Strukturbildung von mehrlagigen NTCDA-Filmen auf Ag(111) untersucht. Zeitabhängige energiedispersive NEXAFS-Experimente mit s- und p-polarisiertem Licht zeigten ein charakteristisches Verhalten. In Kombination mit zeitabhängigen Photoemissionsmessungen wurden bei der Strukturbildung verschiedene Unterprozesse gefunden. Nach erwärmen der Probe richten sich die ursprünglich flach orientierte Moleküle zunächst auf. Im Anschluss folgt eine Aggregation der Moleküle in einer Phase mit starker intermolekularer Kopplung. Letztendlich bildet sich die bekannte dreidimensionale Filmstruktur aus. Anhand des Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami Modells konnte die Aktivierungsenergie für die verschiedenen Unterprozesse ermittelt werden.

The projects presented in this thesis cover the examination of the electronic and structural properties of organic thin films at noble metal-organic interfaces. Angle-resolved photoemission spectroscopy is used as the primary investigative tool due to the connection of the emitted photoelectrons to the electronic structure of the sample. The surveyed materials are of relevance for fundamental research and practical applications on their own, but also serve as archetypes for the photoemission techniques presented throughout the four main chapters of this thesis. The techniques are therefore outlined with their adaptation to other systems in mind and a special focus on the proper description of the final state. The most basic description of the final state that is still adequate for the evaluation of photoemission data is a plane wave. Its simplicity enables a relatively intuitive interpretation of photoemission data, since the initial and final state are related to one another by a Fourier transform and a geometric factor in this approximation. Moreover, the initial states of some systems can be reconstructed in three dimensions by combining photoemission measurements at various excitation energies. This reconstruction can even be carried out solely based on experimental data by using suitable iterative algorithms. Since the approximation of the final state in the photoemission process by a plane wave is not valid in all instances, knowledge on the limitations of its applicability is indispensable. This can be gained by a comparison to experimental data as well as calculations with a more detailed description of the photoemission final state. One possible appraoch is based on independently emitting atoms where the coherent superposition of partial, atomic final states produces the total final state. This approach can also be used for more intricate studies on organic thin films. To this end, experimental data can be related to theoretical calculations to gain extensive insights into the structural and electronic properties of molecules in organic thin films. / Die in dieser Arbeit vorgestellten Projekte behandeln die Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften organischer Dünnschichtfilme an Grenzflächen zwischen Edelmetallen und organischen Materialien. Als maßgebliche Messmethode wird die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie aufgrund der Verbindung der emittierten Photoelektronen mit der elektronischen Struktur der untersuchten Probe angewandt. Die verwendeten Materialien sind sowohl in der Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen relevant, und dienen gleichzeitig auch als Beispiele für die Photoemissionstechniken, die in den vier Hauptkapiteln der Arbeit präsentiert werden. Diese Techniken werden daher auch bezüglich ihrer Ubertragbarkeit auf andere Systeme dargestellt, wobei besonders auf die korrekte Beschreibung des Endzustands in der Photoemission eingegangen wird. Die simpelste Beschreibung des Endzustands, die für die Auswertung von Photoemissionsdaten noch sinnvoll verwendet werden kann, stellt eine ebene Welle dar. Ihre Einfachheit ermöglicht eine relativ intuitive Interpretation von Photoemissionsdaten, da Anfangs- und Endzustand in dieser Näherung lediglich durch eine Fourier-Transformation und einen geometrischen Faktor verknüpft sind. Kombiniert man die Photoemissionsmessungen bei unterschiedlichen Anregungsenergien, lassen sich zusätzlich die Anfangszustände bestimmter Systeme in guter Näherung dreidimensional rekonstruieren. Mit Hilfe geeigneter iterativer Algorithmen ist diese Rekonstruktion darüber hinaus mit ausschließlich experimentellen Daten realisierbar. Da die Näherung des Endzustands mit einer ebenen Welle nur unter bestimmten Bedingungen ausreichend präzise das reale System widerspiegelt, ist die Kenntnis über die Grenzen ihrer Anwendbarkeit von Bedeutung. Dies kann über den Vergleich mit experimentellen Daten sowie Rechnungen mit detailierteren Beschreibungen des Endzustands in der Photoemission geschehen. Ein möglicher Ansatz basiert auf unabhängig voneinander emittierenden Atomen, deren kohärent überlagerte, partielle Endzustände den gesamten Endzustand formen. Dieser Ansatz kann des Weiteren für komplexere Untersuchungen an organischen Dünnschichten verwendet werden. So können über den Vergleich von experimentellen Messung mit theoretischen Rechnungen umfangreiche Einblicke auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Moleküle in organischen Dünnschichten gewonnen werden.

This thesis is aimed at establishing modalities of time-resolved photoelectron spectroscopy (tr-PES) conducted at a free-electron laser (FEL) source and at a high harmonic generation (HHG) source for imaging the motion of atoms, charge and energy at photoexcited hybrid organic/inorganic interfaces. Transfer of charge and energy across interfaces lies at the heart of surface science and device physics and involves a complex interplay between the motion of electrons and atoms. At hybrid organic/inorganic interfaces involving planar molecules, such as pentacene and copper(II)-phthalocyanine (CuPc), atomic motions in out-of-plane direction are particularly apparent. Such hybrid interfaces are of importance to, e.g., next-generation functional devices, smart catalytic surfaces and molecular machines. In this work, two hybrid interfaces – pentacene atop Ag(110) and copper(II)-phthalocyanine (CuPc) atop titanium disulfide (1T-TiSe2) – are characterized by means of modalities of tr-PES. The experiments were conducted at a HHG source and at the FEL source FLASH at Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (Hamburg, Germany). Both sources provide photon pulses with temporal widths of ∼ 100 fs and thus allow for resolving the non-equilibrium dynamics at hybrid interfaces involving both electronic and atomic motion on their intrinsic time scales. While the photon energy at this HHG source is limited to the UV-range, photon energies can be tuned from the UV-range to the soft x-ray-range at FLASH. With this increased energy range, not only macroscopic electronic information can be accessed from the sample’s valence and conduction states, but also site-specific structural and chemical information encoded in the core-level signatures becomes accessible. Here, the combined information from the valence band and core-level dynamics is obtained by performing time- and angle-resolved photoelectron spectroscopy (tr-ARPES) in the UV-range and subsequently performing time-resolved x-ray photoelectron spectroscopy (tr-XPS) and time-resolved photoelectron diffraction (tr-XPD) in the soft x-ray regime in the same experimental setup. The sample’s bandstructure in energy-momentum space and time is captured by a time-of-flight momentum microscope with femtosecond temporal and sub-Ångström spatial resolutions. In the investigated systems, out-of-equilibrium dynamics are traced that are connected to the transfer of charge and energy across the hybrid interfaces. While energetic shifts and complementary population dynamics are observed for molecular and substrate states, the shapes of involved molecular orbitals change in energy-momentum space on a subpicosecond time scale. In combination with theory support, these changes are attributed to iiiatomic reorganizations at the interface and transient molecular structures are reconstructed with sub-Ångström precision. Unique to the material combination of CuPc/TiSe2, a structural rearrangement on the macroscopic scale is traced simultaneously: ∼ 60 % of the molecules undergo a concerted, unidirectional in-plane rotation. This surprising observation and its origin are detailed in this thesis and connected to a particularly efficient charge transfer across the CuPc/TiSe2 interface, resulting in a charging of ∼ 45 % of CuPc molecules. / Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es, die Bewegung von Atomen, Ladungsträgern und Energie an organisch/anorganischen Grenzschichten fernab des thermischen Gleichgewichts zu visualisieren und deren Wechselwirkung zu entschlüsseln. Dies wird experimentell mittels zeitaufgelöster Photoemissionsexperimente an einer Freien-Elektronen-LaserQuelle und an einer Höher-Harmonischen-Quelle verwirklicht. Ladungs- und Energietransfer zwischen organisch/anorganischen Grenzschichten sind zentrale Komponenten für die Funktion Molekül-basierter Anwendungen, wie z.B. katalytische Oberflächen, elektronische Schalt- und Speichergeräte oder molekulare Maschinen. Sie stellen einen dynamischen Prozess dar, der sich in einem Wechselspiel aus der Bewegung von Elektronen zwischen beiden Schichten und atomaren Bewegungen innerhalb beider Schichten äußert. Planare Moleküle, wie Pentacen oder Kupfer(II)-Phthalocyanin (CuPc), eignen sich besonders um solche atomaren Bewegungen zu untersuchen, da diese aufgrund geringer Rückstellkräfte senkrecht zur Molekülebene besonders ausgeprägt sein können. In dieser Arbeit werden Ladungs- und Energietransferprozesse an zwei ausgewählten Grenzschichten untersucht: Pentacen auf Silber (Ag(110)) und CuPc auf Titan Diselenid (1T-TiSe2). Zeitaufgelöste Photoemissionsexperimente (tr-PES) wurden an einer HöherHarmonischen-Quelle und an dem Freien-Elektronen-Laser FLASH (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg, Deutschland) durchgeführt. Beide Lichtquellen liefern Photonenpulse mit einer Halbwertsbreite von etwa 100 fs und sind daher geeignet, um Nicht-Gleichgewichtsprozesse zeitlich aufzulösen, die auf der Bewegung von sowohl Elektronen als auch Atomen basieren. Die gewählte Höher-Harmonische-Quelle liefert Photonenenergien im UV-Bereich. Bei FLASH hingegen können die Photonenenergien variabel vom UV-Bereich bis hin zum Weichröntgenbereich erzeugt werden. Dieser erweiterte Energiebereich ermöglicht es, zusätzlich zur elektronischen Dynamik im Valenzbereich, auch Dynamiken kernnaher Zustände zu beobachten. Mithilfe dreier Modalitäten von zeitaufgelöster Photoemission – zeit- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (tr-ARPES), zeitaufgelöste Röntgenphotoelektronenspektroskopie (tr-XPS) und zeitaufgelöste Röntgenphotoelektronen-Diffraktion (tr-XPD) – werden sowohl die elektronischen als auch strukturellen Dynamiken der Grenzschicht rekonstruiert. Dabei dient tr-ARPES im UV-Bereich zur Charakterisierung der makroskopischen elektronischen Eigenschaften und tr-XPS und tr-XPD im Weichröntgenbereich dienen zur Analyse lokaler chemischer und struktureller Eigenschaften. Alle Messungen wurden unter denselben experimentellen Beidingungen durchgeführt und mithilfe eines Flugzeit-Impulsmikroskops konnte die transiente Bandstruktur mit einer Ortauflösung im Sub-Ångström-Bereich und einer Zeitauflö- sung im Femtosekunden-Bereich aufgenommen werden. In beiden untersuchten Systemen werden elektronische und strukturelle Prozesse an der Molekül–Substrat Grenzfläche beobachtet, die durch einen Ladungs- und Energietransfer in Folge optischer Anregung erklärt werden. Dieser Transfer äußert sich elektronisch durch ein Befüllen des Substrat-Leitungsbands und einem zeitgleichen Entleeren der MolekülValenzorbitale. Strukturelle Veränderungen, wie die Adsorptionshöhe oder intramolekulare Atompositionen, werden aus den sich zeitgleich verformenden Molekül-Valenzorbitalen rekonstruiert. Speziell für CuPc/TiSe2 wird ein effektiver Ladungstransfer beobachtet, wodurch 375 fs nach optischer Anregung ∼ 45 % der Moleküle einfach positiv geladen vorliegen. Diese Ladungstrennung zwischen den sich wie ein Schachbrett anordnenden positivgeladenen und neutralen Molekülen sowie dem Substrat führt zu einer Modulation des Oberflächenpotentials, welche eine energetische Verschiebung aller Grenzflächenzustände bedingt und intramolekulare Strukturveränderungen sowie eine makroskopische Reorganisation des Molekülfilms zur Folge hat: ∼ 60 % der Moleküle drehen sich innerhalb von ∼ 375 fs synchron auf dem Substrat und nehmen nach ∼ 1800 fs wieder ihre Ausgangsposition ein. Diese überraschende Beobachtung sowie die Ursache werden detaillierter in der vorliegenden Arbeit diskutiert und in den Kontext aktueller Forschung an "molekularen Schaltern" gebracht.

Diffusion facilitates numerous reactions within the biological context of a cell. It is remarkable how the cost-efficient random process of Brownian motion promotes fast reactions. From the narrow escape theory, it is possible to determine the mean first passage time of such processes based on their reaction space and diffusion coefficient. The narrow escape theory of Brownian particles is characterized by a confining domain with reflective boundaries and a small reaction site. In this thesis, the mean first passage time was systematically tested in a disc as a function of the escape opening size in vitro and in silico. For the in vitro experiments, a model system of patterned supported-lipid bilayers (SLB) was established. Such a model is prepared by a combined colloid metalization approach, where a gold scaffold on glass facilitates assembly of SLB patches of distinct sizes through vesicle fusion. The model setup was evaluated and found to match all necessary requirements to test the nar- row escape problem in vitro. In particular, the reflectivity of the boundaries, the unhindered, free diffusion of the tracer lipids, and the distinct area were assessed. Observed results of the mean first passage time agreed with the theory of the narrow escape problem. There was excellent agreement in both absolute values and across a range of small escape opening sizes. Additionally, I developed a straightforward method, a correction factor, to calculate the mean first passage time from incomplete experimental traces. By re-scaling the mean first passage time to the fraction of particles that escaped, I was able to overcome the lifetime limitations of fluorescent probes. Previously inaccessible measurements of the mean first passage time relying on fluorescent probes will be made possible through this approach. The in vitro experiments were complemented with various in silico experiments. The latter were based on random walk simulations in discs, mimicking the in vitro situation with its uncertainties. The lifetime of single particles was either set sufficiently long to allow all particles to escape, or was adjusted to meet the lifetime limitations observed in the in vitro experiments. A comparison of the mean first passage time from lifetime-unlimited particles to the corrected, lifetime-limited particles did support the use of the correction factor. In agreement with the narrow escape theory, it was experimentally found that the mean first passage time is independent of the start point of the particle within the domain. This is when the particle adheres to a minimum distance to the escape site. In general, the presented random walk simulations do accurately represent the in vitro experiments in this study. The required hardware for the establishment of an astigmatism-based 3D system was installed in the existing microscope. The first attempts to analyze the obtained 3D imaging data gave insight into the potential of the method to investigate molecule dynamics in living trypanosome cells. The full functionality will be realized with the ongoing improvement of image analysis outside of this thesis. / Diffusion erleichtert zahlreiche Reaktionen im biologischen Kontext einer Zelle. Es ist bemerkenswert, wie der kosteneffiziente Zufallsprozess der Brownschen Bewegung schnelle Reaktionen fördert. Mit Hilfe der Narrow Escape Theorie kann die mittlere erste Durchgangszeit (mean first passage time) solcher Prozesse auf der Grundlage ihres Reaktionsraums und des Diffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Narrow Escape Theorie von Brownschen Teilchen wird durch einen begrenzten Bereich mit reflektierenden Grenzen und einen kleinen Reaktionsraum gekennzeichnet. In dieser Arbeit wurde die mittlere erste Durchgangszeit in einer Scheibe systematisch als Funktion der Größe der Fluchtöffnung in vitro und in silico untersucht. Fur die in vitro-Experimente wurde ein Modellsystem aus strukturierten, Glas gestützten Lipiddoppelschichten (SLB) erstellt. Dieses Modell wurde durch einen kombinierten Kolloid-Metallisierungsansatz hergestellt, bei dem eine strukturierte Goldschicht auf Glas die Bildung von SLB-Scheiben unterschiedlicher Größe durch die Vesikelfusion ermöglicht. Es wurde festgestellt, dass das Modell alle Anforderungen erfüllt, um das Narrow escape problem in vitro zu testen. Insbesondere wurde das Reflexionsvermögen der Grenzen, die ungehinderte, freie Diffusion der Lipide und die Präzision der Fläche bewertet. Die beobachteten Ergebnisse der mittleren ersten Durchgangszeit stimmen mit der NEP-Theorie ̈uberein. Es besteht eine hervorragende ̈Ubereinstimmung sowohl bei den absoluten Werten als auch systematisch ̈uber einen Bereich von kleinen Fluchtöffnungsgrößen. Außerdem zeige ich eine einfache Methode, einen Korrekturfaktor, zur Berechnung der mittleren ersten Durchgangszeit aus unvollstandigen Lipid Trajektorien des Experimentes. Indem ich die mittlere erste Durchgangszeit auf den Anteil der entkommenen Par- tikel skalierte, konnte ich die Einschränkungen der Lebensdauer von fluoreszenten Farbstoffen ausgleichen. Mit dieser Technik werden bisher unzugängliche Messungen der mittleren ersten Durchgangszeit auf der Grundlage von fluoreszenten Farbstoffen möglich. In einem umfassenden Ansatz wurden die in vitro-Experimente durch verschiedene in silico-Experimente ergänzt. Letztere basierten auf Random- Walk-Simulationen in Scheiben, die die in vitro-Situation mit ihren Unsicherheiten nachahmten. Die Lebensdauer einzelner Partikel wurde entweder so lang angesetzt, dass alle Partikel entkommen konnten, oder sie wurde so angepasst, dass sie den in den in vitro-Experimenten beobachteten Lebensdauerbeschränkungen entsprach. Ein Vergleich der mittleren ersten Durchgangszeit von unsterblichen Partikeln mit den korrigierten, lebensdauerbegrenzten Partikeln hat die Verwendung des Korrekturfaktors bestätigt. In ̈Ubereinstimmung mit der Narrow Escape Theorie wurde experimentell festgestellt, dass die mittlere erste Durchgangszeit unabhängig vom Startpunkt des Teilchens innerhalb der Domäne ist. Dies ist dann der Fall, wenn das Teilchen einen Mindestabstand zur Austrittsstelle einhält. Im Allgemeinen bilden die vorgestellten Random-Walk-Simulationen die in dieser Studie durchgeführten Experimente genau ab. Die erforderliche Hardware für die Einrichtung eines auf Astigmatismus basierenden 3D-Systems wurde in ein vorhandenes Mikroskop eingebaut. Erste Versuche, die gewonnenen 3D-Bilddaten zu analysieren, gaben einen Einblick in das Potenzial der Methode zur Untersuchung der Moleküldynamik im lebenden Trypanosom. Die volle Funktionalität wird mit der laufenden Verbesserung der Bildanalyse außerhalb dieser Arbeit realisiert werden. Ein Teil der Ergebnisse und Methoden dieser Dissertation wurde zur Veröffentlichung unter dem Titel ’Experiments in micro-patterned model membranes support the narrow escape theory’ eingereicht.