A coupling-limited approach for the Ullmann reaction-like on-surface synthesis of a two-dimensional covalent organic network starting from a halogenated metallo-porphyrin is demonstrated. Copper-octabromo-tetraphenylporphyrin molecules can diffuse and self-assemble when adsorbed on the inert Au(111) surface. Splitting-off of bromine atoms bonded at the macrocyclic core of the porphyrin starts at room temperature after the deposition and is monitored by X-ray photoelectron spectroscopy for different annealing steps. Direct coupling between the reactive carbon sites of the molecules is, however, hindered by the molecular shape. This leads initially to an ordered non-covalently interconnected supramolecular structure. Further heating to 300 °C and an additional hydrogen dissociation step is required to link the molecular macrocycles via a phenyl group and form large ordered polymeric networks. This approach leads to a close-packed covalently bonded network of overall good quality. The structures are characterized using scanning tunneling microscopy. Different kinds of lattice defects and, furthermore, the impact of polymerization on the HOMO–LUMO gap are discussed. Density functional theory calculations corroborate the interpretations and give further insight into the adsorption of the debrominated molecule on the surface and the geometry and coupling reaction of the polymeric structure. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Dissertation stellt einen Beitrag zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums dar. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden neuartige zwitterionische spirocyclische lambda5Si,lambda5Si'-Disilicate, zwitterionische spirocyclische lambda5Si-Silicate und neutrale pentakoordinierte Silicium(IV)-Komplexe dargestellt. Weiterhin wurden neutrale hexakoordinierte Silicium(IV)-Komplexe sowie neutrale pentakoordinierte Germanium(IV)-Komplexe synthetisiert. Die Charakterisierung dieser Verbindungen erfolgte durch Elementaranalysen, Festkörper-NMR-Spektroskopie (13C-, 15N-, 29Si- und 77Se-VACP/MAS-NMR) und Kristallstrukturanalysen. Ergänzend wurden einige Verbindungen durch NMR-Spektroskopie in Lösung (1H, 13C, 19F, 29Si, 31P und 77Se) charakterisiert. / This dissertation deals with the chemistry of higher-coordinate silicon. In the course of these studies, novel zwitterionic spirocyclic lambda5Si,lambda5Si'-disilicates, zwitterionic spirocyclic lambda5Si-silicates, and neutral pentacoordinate silicon(IV) complexes were prepared. Furthermore, neutral hexacoordinate silicon(IV) complexes and neutral pentacoordinate germanium(IV) complexes were synthesized. These compounds were characterized by elemental analyses, solid-state NMR spectroscopy (13C, 15N, 29Si, and 77Se VACP/MAS NMR), and single-crystal X-ray diffraction. In addition, some of these compounds were characterized by NMR spectroscopy in solution (1H, 13C, 19F, 29Si, 31P, and 77Se).

The chirality of the interlocked bay-arylated perylene motif is investigated upon its material prospect and the enhancement of its chiroptical response to the NIR spectral region. A considerable molecular library of inherently chiral perylene bisimides (PBIs) was utilized as acceptors in organic solar cells to provide decent device performances and insights into the structure-property relationship of PBI materials within a polymer blend. For the first time in the family of core-twisted PBIs, the effects of enantiopurity on the device performance was thoroughly investigated. The extraordinary structural sensitivity of CD spectroscopy served as crucial analytical tool to bridge the highly challenging gap between molecular properties and device analytics by proving the excitonic chirality of a helical PBI dimer. The chirality of this perylene motif could be further enhanced on a molecular level by both the expansion and the enhanced twisting of the π-scaffold to achieve a desirable strong chiroptical NIR response introducing a new family of twisted QBI-based nanoribbons. These achievements could be substantially further developed by expanding this molecular concept to a supramolecular level. The geometrically demanding supramolecular arrangement necessary for the efficient excitonic coupling was carefully encoded into the molecular design. Accordingly, the QBIs could form the first J-type aggregate constituting a fourfold-stranded superhelix of a rylene bisimide with strong excitonic chirality. Therefore, this thesis has highlighted the mutual corroboration of experimental and theoretical data from the molecular to the supramolecular level. It has demonstrated that for rylene bisimide dyes, the excitonic contribution to the overall chiroptical response can be designed and rationalized. This can help to pave the way for new organic functional materials to be used for chiral sensing or chiral organic light-emitting devices. / Die Chiralität des verzahnten Bucht-arylierten Perylenmotivs wurde im Hinblick auf seine Materialanwendung sowie die Verstärkung seiner chiroptischen Eigenschaften im NIR-Spektralbereich untersucht. Eine umfangreiche Molekülbibliothek von inhärent chiralen PBIs wurde als NFAs in OSCs verwendet, um sowohl gute Solarzelleneffizienzen sowie Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehung von PBI Materialien innerhalb einer Polymermischung zu erhalten. Zum ersten Mal wurden für kernverdrillte PBIs die Auswirkungen der Enantiomerenreinheit auf die Effizienz von organischen Dünnfilmbauteilen untersucht. Die außerordentliche strukturelle Empfindlichkeit der CD Spektroskopie diente als entscheidendes Analysewerkzeug, um die hoch anspruchsvolle Lücke zwischen der Analytik molekularer Eigenschaften und der Bauteilanalytik zu schließen, indem die exzitonische Chiralität eines helikalen PBI-Dimers nachgewiesen wurde. Die Chiralität dieses Perylenmotivs konnte auf molekularer Ebene weiter verstärkt werden, indem das π-Gerüst sowohl erweitert als auch stärker verdrillt wurde, um wünschenswert starke chiroptische Eigenschaften im NIR-Bereich zu erzielen und so eine neue Molekülfamilie kernverdrillter QBIs zu definieren. Diese Errungenschaften konnten durch die Ausweitung dieses molekularen Konzepts auf eine supramolekulare Ebene noch erheblich weiterentwickelt werden. Die geometrisch anspruchsvolle supramolekulare Anordnung, die für die effiziente exzitonische Kopplung erforderlich ist, wurde sorgfältig in das molekulare Design kodiert. Dementsprechend stellt das präsentierte QBI in seiner vierfach versetzt gestapelten Superhelix das erste Rylenbisimid-J-Aggregat dar, welches eine starke exzitonische Chiralität zeigt. Somit hat die Arbeit hat die gegenseitige Bestätigung von experimentellen und theoretischen Daten von der molekularen bis hin zur supramolekularen Ebene herausgestellt und gezeigt, dass für Rylenbisimid-Farbstoffe der exzitonische Beitrag zu den chiroptischen Eigenschaften konzipiert, synthetisch realisiert und quantenmechanisch verstanden werden kann. Dies kann den Weg für neue organische Funktionsmaterialien ebnen, die für chirale Sensoren oder Licht emittierende Bauteile verwendet werden können.

In this thesis, the implementation of the incremental scheme for open-shell systems with unrestricted Hartree-Fock reference wave functions is described. The implemented scheme is tested within robustness and performance with respect to the accuracy in the energy and the computation times. New approaches are discussed to implement a fully automated incremental scheme in combination with the domain-specific basis set approximation. The alpha Domain Partitioning and Template Equalization are presented to handle unrestricted wave functions for the local correlation treatment. Both orbital schemes are analyzed with a test set of structures and reactions. As a further goal, the DSBSenv orbital basis sets and auxiliary basis sets are optimized to be used as environmental basis in the domain-specific basis set approach. The performance with respect to the accuracy and computation times is analyzed with a test set of structures and reactions. In another project, a scheme for the optimization of auxiliary basis sets for uranium is presented. This scheme was used to optimize the MP2Fit auxiliary basis sets for uranium. These auxiliary basis enable density fitting in quantum chemical methods and the application of the incremental scheme for systems containing uranium. Another project was the systematical analysis of the binding energies of four water dodecamers. The incremental scheme in combination with the CCSD(T) and CCSD(T)(F12*) method were used to calculate benchmark energies for these large clusters.

A realistic description of ionization in intense laser fields is implemented into the Non-Adiabatic Quantum Molecular Dynamics (NA-QMD) formalism. First, the error of a finite basis expansion is considered and a new measure is proposed for time-dependent calculations. This is used to investigate systematically the influence of the used basis set in calculations on the hydrogen atom in intense laser fields. Second, absorbing boundary conditions in basis expansion are introduced via an imaginary potential into the effective one-particle Hamiltonian. It is shown that the used form of the absorber potential is valid in many-electron time-dependent density functional theory calculations, i.e. that only ionized states are affected by the absorbing potential. The absorber is then tested on reference calculations that exist for H and aligned H+2 in intense laser fields. Excellent agreement is found. Additionally, an approximative treatment of the missing electron-nuclear correlations is proposed. It is found in calculations on H+2 that a qualitative improvement of the description of nuclear dynamics results. The extension of the NA-QMD formalism is then used to investigate the alignment behavior of diatomic molecules. Recent experiments on H+2 and H2 are reviewed and explained. It is found that dynamic alignment, i.e. the laser induced rotation of the molecule, plays a central role. The alignment behavior of H+2 and H2 and its intensity dependence is investigated after that. A drastic difference between H+2 and H2 is found in NA-QMD as well as model calculations. Then, the focus is on an astonishing new effect that has been found in N2 calculations. This effect which is called "rotational destabilization" is studied on the model system H+2. Yet, it might be observable only in heavy dimers and might have already been found in an experiment on I2.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

A realistic description of ionization in intense laser fields is implemented into the Non-Adiabatic Quantum Molecular Dynamics (NA-QMD) formalism. First, the error of a finite basis expansion is considered and a new measure is proposed for time-dependent calculations. This is used to investigate systematically the influence of the used basis set in calculations on the hydrogen atom in intense laser fields. Second, absorbing boundary conditions in basis expansion are introduced via an imaginary potential into the effective one-particle Hamiltonian. It is shown that the used form of the absorber potential is valid in many-electron time-dependent density functional theory calculations, i.e. that only ionized states are affected by the absorbing potential. The absorber is then tested on reference calculations that exist for H and aligned H+2 in intense laser fields. Excellent agreement is found. Additionally, an approximative treatment of the missing electron-nuclear correlations is proposed. It is found in calculations on H+2 that a qualitative improvement of the description of nuclear dynamics results. The extension of the NA-QMD formalism is then used to investigate the alignment behavior of diatomic molecules. Recent experiments on H+2 and H2 are reviewed and explained. It is found that dynamic alignment, i.e. the laser induced rotation of the molecule, plays a central role. The alignment behavior of H+2 and H2 and its intensity dependence is investigated after that. A drastic difference between H+2 and H2 is found in NA-QMD as well as model calculations. Then, the focus is on an astonishing new effect that has been found in N2 calculations. This effect which is called "rotational destabilization" is studied on the model system H+2. Yet, it might be observable only in heavy dimers and might have already been found in an experiment on I2.

A coupling-limited approach for the Ullmann reaction-like on-surface synthesis of a two-dimensional covalent organic network starting from a halogenated metallo-porphyrin is demonstrated. Copper-octabromo-tetraphenylporphyrin molecules can diffuse and self-assemble when adsorbed on the inert Au(111) surface. Splitting-off of bromine atoms bonded at the macrocyclic core of the porphyrin starts at room temperature after the deposition and is monitored by X-ray photoelectron spectroscopy for different annealing steps. Direct coupling between the reactive carbon sites of the molecules is, however, hindered by the molecular shape. This leads initially to an ordered non-covalently interconnected supramolecular structure. Further heating to 300 °C and an additional hydrogen dissociation step is required to link the molecular macrocycles via a phenyl group and form large ordered polymeric networks. This approach leads to a close-packed covalently bonded network of overall good quality. The structures are characterized using scanning tunneling microscopy. Different kinds of lattice defects and, furthermore, the impact of polymerization on the HOMO–LUMO gap are discussed. Density functional theory calculations corroborate the interpretations and give further insight into the adsorption of the debrominated molecule on the surface and the geometry and coupling reaction of the polymeric structure. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In this thesis, the implementation of the incremental scheme for open-shell systems with unrestricted Hartree-Fock reference wave functions is described. The implemented scheme is tested within robustness and performance with respect to the accuracy in the energy and the computation times. New approaches are discussed to implement a fully automated incremental scheme in combination with the domain-specific basis set approximation. The alpha Domain Partitioning and Template Equalization are presented to handle unrestricted wave functions for the local correlation treatment. Both orbital schemes are analyzed with a test set of structures and reactions. As a further goal, the DSBSenv orbital basis sets and auxiliary basis sets are optimized to be used as environmental basis in the domain-specific basis set approach. The performance with respect to the accuracy and computation times is analyzed with a test set of structures and reactions. In another project, a scheme for the optimization of auxiliary basis sets for uranium is presented. This scheme was used to optimize the MP2Fit auxiliary basis sets for uranium. These auxiliary basis enable density fitting in quantum chemical methods and the application of the incremental scheme for systems containing uranium. Another project was the systematical analysis of the binding energies of four water dodecamers. The incremental scheme in combination with the CCSD(T) and CCSD(T)(F12*) method were used to calculate benchmark energies for these large clusters.