A high performance vertical organic transistor based on the organic semiconductor C60 is developed in this work. The sandwich geometry of this transistor, well known from organic light-emitting diodes or organic solar cells, allows for a short transfer length of charge carriers in vertical direction. In comparison to conventional organic field-effect transistors with lateral current flow, much smaller channel lengths are reached, even if low resolution and low-cost shadow masks are used. As a result, the transistor operates at low voltages (1 V), drives current densities in the range of 10 A/cm², and enables a switching speed in the MHz range. The operation mechanism is studied in detail. It is demonstrated that the transistor can be described by a nano-porous permeable base electrode insulated by a thin native aluminum oxide film on its surface. Thus, the transistor has to be understood as two metal-oxide-semiconductor diodes, sharing a common electrode, the base. Upon applying a bias to the base, charges accumulate in front of the oxide, similar to the channel formation in a field-effect transistor. Due to the increased conductivity in this region, charges are efficiently transported toward and through the pinholes of the base electrode, realizing a high charge carrier transmission. Thus, even a low concentration of openings in the base electrode is sufficient to ensure large transmission currents. The device concept turns out to be ideal for applications where high transconductance and high operation frequency are needed, e.g. in analog amplifier circuits. The full potential of the transistor is obtained if the active area is structured by an insulating layer in order to perfectly align the three electrodes. Besides that, molecular doping near the charge injecting contact is essential to minimize the contact resistance. Due to the high power density in the vertical C60 transistor, Joule self-heating occurs, which is discussed in this work in the context of organic semiconductors. The large activation energies of the electrical conductivity observed cause the presence of S-shaped current-voltage characteristics and result in thermal switching as well as negative differential resistances, as demonstrated for several two-terminal devices. A detailed understanding of these processes is important to determine restrictions and proceed with further optimizations. / In dieser Arbeit wird ein vertikaler organischer Transistor mit hoher Leistungsfähigkeit vorgestellt, der auf dem organischen Halbleiter C60 basiert. Die von organischen Leuchtdioden und organischen Solarzellen bekannte \'Sandwich’-Geometrie wird verwendet, so dass es möglich ist, für die vertikale Stromrichtung kurze Transferlängen der Ladungsträger zu erreichen. Im Vergleich zum konventionellen organischen Feldeffekttransistor mit lateralem Stromfluss werden dadurch viel kleinere Kanallängen erreicht, selbst wenn preisgünstige Schattenmasken mit geringer Auflösung für die thermische Verdampfung im Vakuum genutzt werden. Daher kann der Transistor bei einer Betriebsspannung von 1 V Stromdichten im Bereich von 10 A/cm² und Schaltgeschwindigkeiten im MHz-Bereich erreichen. Obwohl diese Technologie vielversprechend ist, fehlt bislang ein umfassendes Verständnis des Funktionsmechanismus. Hier wird gezeigt, dass der Transistor eine nanoporöse Basiselektrode hat, die durch ein natives Oxid auf ihrer Oberfläche elektrisch isoliert ist. Daher kann das Bauelement als zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Dioden verstanden werden, die sich eine gemeinsame Elektrode, die Basis, teilen. Unter Spannung akkumulieren Ladungsträger vor dem Oxid, ähnlich zur Ausbildung eines Ladungsträgerkanals im Feldeffekttransistor. Aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit in dieser Region werden Ladungsträger effizient zu und durch die Öffnungen der Basis transportiert, was zu hohen Ladungsträgertransmissionen führt. Selbst bei einer geringen Konzentration von Löchern in der Basiselektrode werden so hohe Transmissionsströme erzielt. Das Bauelementkonzept ist ideal für Anwendungen, in denen eine hohe Transkonduktanz und eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht werden soll, z.B. in analogen Schaltkreisen, die kleine Signale verarbeiten. Das volle Potential des Transistors offenbart sich jedoch, wenn die aktive Fläche durch eine Isolatorschicht strukturiert wird, um den Überlapp der drei Elektroden zu optimieren, so dass Leckströme minimiert werden. Daneben ist die Dotierung der Molekülschichten am Emitter essentiell, um Kontaktwiderstände zu vermeiden. Aufgrund der hohen Leistungsdichten in den vertikalen C60-Transistoren kommt es zur Selbsterwärmung, die in dieser Arbeit im Kontext organischen Halbleiter diskutiert wird. Die große Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit führt zu S-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinien und hat thermisches Umschalten sowie negative differentielle Widerstände zur Folge, was für verschiedene Bauelemente demonstriert wird. Ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist wichtig, um Beschränkungen für Anwendungen zu erkennen und um entsprechende Verbesserungen einzuführen.

Riboswitches have gained attention as tools for synthetic biology, since they enable researchers to reprogram cells to sense and respond to exogenous molecules. In vitro evolutionary approaches produced numerous RNA aptamers that bind such small ligands, but their conversion into functional riboswitches remains difficult. We previously developed a computational approach for the design of synthetic theophylline riboswitches based on secondary structure prediction. These riboswitches have been constructed to regulate ligand dependent transcription termination in Escherichia coli. Here, we test the usability of this design strategy by applying the approach to tetracycline and streptomycin aptamers. The resulting tetracycline riboswitches exhibit robust regulatory properties in vivo. Tandem fusions of these riboswitches with theophylline riboswitches represent logic gates responding to two different input signals. In contrast, the conversion of the streptomycin aptamer into functional riboswitches appears to be difficult. Investigations of the underlying aptamer secondary structure revealed differences between in silico prediction and structure probing. We conclude that only aptamers adopting the minimal free energy (MFE) structure are suitable targets for construction of synthetic riboswitches with design approaches based on equilibrium thermodynamics of RNA structures. Further improvements in the design strategy are required to implement aptamer structures not corresponding to the calculated MFE state.

Aufgrund ihrer Eigenschaften und möglicher Anwendungen werden Siliciumkomplexe mit O,N,O´-Ligandsystemen in der Literatur beschrieben. Jedoch fehlen bisher Untersuchungen zur Strukturaufklärung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Silicium-, Germanium- und Zinnkomplexe mit chiralen O,N,O´-Liganden synthetisiert und strukturanalytisch charakterisiert. Dazu wurden die Liganden durch Kondensationsreaktionen von enantiomerenreinen Aminosäuren mit aromatischen ortho-Hydroxyaldehyden bzw. Acetylaceton hergestellt. Die weitere Umsetzung der Liganden mit Elementhalogeniden der Gruppe 14 führte zu den angestrebten Komplexverbindungen. Alle hergestellten Verbindungen wurden umfassend charakterisiert (NMR-, UV/Vis-, IR-Spektroskopie, Elementaranalyse, Einkristallstrukturanalyse, Drehwert). Quantenchemische Berechnungen an einfachen Modellverbindungen sowie an hergestellten Silicium- und Zinnkomplexen führten zu einem grundlegenden Verständnis der Festkörper-NMR-Parameter dieser Verbindungsklasse.

Wir haben blau, grün und orange leuchtende organische Nanofäden oder Nanonadeln und Mikroringe aus para-Hexaphenyl (p-6P), alpha-Quaterthiophen (alpha-4T) und alpha-Sexithiophen (alpha-6T) mittels Organischer Molekularstrahlepitaxie (OMBE) auf Muskovit Glimmer hergestellt. Die Aggregate haben wir mit der Atomkraftmikroskopie, mit der Fluoreszenz-Mikroskopie und durch UV-vis Spektroskopie charakterisiert. Auf der Muskovit Oberfläche wachsen p-6P Fäden parallel zueinander auf und zeigen zwei verschiedene Orientierungsdomänen entlang [110] und [1-10]. Mit Hilfe einer systematischen statistischen Analyse diskutieren wir das Wachstum dieser p-6P Nadeln für verschiedene Wachstumsbedingungen. Zusätzlich zu den Fäden haben wir p-6P Cluster auf der Oberfläche beobachtet. Nadeln werden durch die Aggregation solcher Cluster gebildet. Ein Realraummodell der Morphologie der Nadeln sowie ein Modell für deren Wachstum werden vorgestellt. Indem wir Glimmer zunächst mit einer dünnen Goldschicht bedecken und die Wachstumsparameter variieren, erreichen wir eine weitgehende Kontrolle der Morphologie der Nadeln (Länge von 0,5 Mikrometer bis 1 mm, Höhe von 25 bis 300 nm und Breite von 100 bis 600 nm). Im Gegensatz zu p-6P orientieren Thiophene ihre Wachstumsrichtungen an allen hoch symmetrischen Richtungen von Glimmer. Es wird gezeigt, dass die Mechanismen für das Fadenwachstum von beiden Oligomere gleich sind, nämlich eine Kombination aus Epitaxie und einer Dipol-unterstützten Ausrichtung. Auch die Strukturen dieser Fäden sind ähnlich: die Moleküle liegen parallel angeordnet auf der Oberfläche, ihre Längsachsen orientieren sich schräg zur Längsachse der Fäden. Auf mit Wasser oder Methanol vorbehandeltem Glimmer wachsen diese beiden Oligomere als gebogene Fäden und Mikroringe auf. Diese Oberflächenvorbehandlungen sowie das Wachstum von p-6P auf Gold/Glimmer unterstützen auch den Wachstumsmechanismus auf der sauberen Glimmer-Oberfläche. / By using organic molecular beam epitaxy (OMBE) blue, green and orange light emitting organic nanofibers or nanoneedles and microrings from para-hexaphenyl (p-6P), alpha-quaterthiophene (alpha-4T) and alpha-sexithiophene (alpha-6T), respectively, on muscovite mica surfaces are generated. The aggregates are characterized by atomic force microscopy, fluorescence microscopy and UV-vis spectroscopy. On muscovite mica, p-6P fibers usually grow mutually parallel showing two domains of their orientations with an angle of 120 degree in between. The detail growth of nanofibers from p-6P by performing a systematic statistical analysis of fibers as a function of various growth conditions is discussed. Furthermore, the morphology exhibits p-6P clusters, which are found to be fibers´ building blocks. A real space model of the fiber and a model for their growth are also presented. By introducing a thin gold layer on mica prior to p-6P deposition together with varying growth parameters, the morphology of fibers is controlled in a wide range (length from 0.5 micrometer to 1 mm, height from 25 to 300 nm and width from 100 to 600 nm). In contrast to p-6P, thiophene fibers exhibit various orientations close to mica high symmetry directions. It is shown that the mechanism behind the fiber growth from all molecules on mica is the same, i.e. a combination of epitaxy and dipole assisted growth process. The fiber microscopic structures are similar, too: molecules take lying orientations and they hold themselves parallel pointing their long axes along an oblique direction off the long fiber axis. The growth of both types of oligomers on water or methanol treated mica surfaces leads to the formation of bent fibers and microrings. This surface pretreatment and the growth of p-6P on gold/mica support the fiber growth mechanism on plain mica.

In dieser Arbeit wurde die Ionisation einiger zweiatomiger Moleküle (H2, N2 und O2) in intensiven Laserfeldern untersucht. Hierbei wurden verschiedene Modelle zur Beschreibung der Tunnelionisation sowohl untereinander als auch mit der Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung (TDSE) verglichen. Die kernabstandsabhängige Ionisationswahrscheinlichkeit wurde für verschiedene Intensitäten betrachtet und die Gültigkeit modifizierter atomarer bzw. Molekularer Modelle zur Beschreibung der Tunnelionisation analysiert. Es wurde herausgefunden, dass Modelle, die auf der quasistatischen Näherung beruhen (wo die Ionisation unabhängig von der Frequenz des Laserfeldes ist), nur in einem kleinem Frequenz- und Intensitätsbereich hinreichend genaue Ergebnisse liefern, dem Tunnelregime. Modelle mit einem frequenzabhängigen Faktor stimmen hingegen sowohl im Tunnel- als auch im Mehrphotonenregime mit den genaueren TDSE Ergebnissen überein. Weiterhin wird auch die Abweichung zur Franck-Condon Näherung verdeutlicht. Es wurde ein kleiner Einfluss auf die Revival-Zeit des im Wasserstoffmolekül-Ion gestarteten Wellenpakets gefunden. Die Berücksichtigung von Bond-Softening führt weiterhin zu einer Verringerung der Revival-Zeit mit steigender Spitzenintensität des Lasers. Außerdem wird die Anisotropie der Ionisation von H2 als Funktion der Laserintensität in linear und zirkular polarisiertem Licht mit dem molekularen Tunnelmodell MO-ADK untersucht. Gute Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen wurde gefunden, insbesondere wenn der Effekt des Fokusvolumens des Laserfeldes berücksichtigt wird. Die Anwendbarkeit des Zwei-Zentren-Modells auf größere Moleküle, N2 und O2, wird ebenfalls getestet. Es wird beobachtet, dass dies für N2 (symmetrisches HOMO) funktioniert, für O2 (asymmetrisches HOMO) jedoch nicht. / The ionization of some diatomic molecules, H2, N2, and O2, exposed to intense laser fields has been studied by comparing various molecular tunneling–ionization models with each other and with the numerical solution of the time-dependent Schrödinger equation (TDSE). The internuclear-distance dependent ionization yields over a wide range of laser peak intensities are investigated and the validity of the modified atomic and molecular tunneling models is examined. It is found that those models that depend on the quasi-static approximation, where ionization is independent on the oscillation frequency of the applied laser field, are useful for laser-induced ionization processes in only a very small region of the frequency and intensity domain of laser fields, i.e. in the tunneling regime. The models that include a frequency dependent factor are in a good agreement with the accurate TDSE calculations in both the multiphoton and the tunneling ionization regimes. Furthermore, the deviation from Franck-Condon-like distribution is also clarified. A small effect on the revival time of the vibrational wavepacket of hydrogen molecular ion, due to this deviation, has been found. Consideration of the bond-softening effect leads to a decrease in the revival time with increasing laser-peak intensity. The anisotropy of H2 as a function of laser intensity in linear and circular polarized fields using molecular tunneling model (MO-ADK) are also studied and a good agreement with the experimental observations, especially if the focal volume of the laser field is considered, has been obtained. The applicability of the two-center model for larger molecules, N2 and O2, is tested. It is found that it works with N2 (symmetric HOMO) but fails in O2 (ansymmetric HOMO).

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Siliciumkomplexe mit dianionischen Pyrrol-2-carbaldimin-funktionalisierten N,N,O- und N,N,N,N-Chelatliganden synthetisiert und kristallografisch, NMR- und UV/Vis-spektroskopisch und mittels quantenchemischer Berechnungen charakterisiert. Die pentakoordinierten Si-Komplexe mit N,N,O-Ligandrückgraten wiesen in Abhängigkeit von den weiteren Si-gebundenen Substituenten unterschiedlich konfigurierte verzerrt trigonal-bipyramidale Si-Koordinationssphären auf. Die Ursache der Farbigkeit dieser Verbindungen konnte mittels quantenchemischer Berechnungen detailliert erklärt werden. – Die Si-Komplexe mit N,N,N,N-Ligandrückgraten liegen in Abhängigkeit von den weiteren Si-gebundenen Substituenten als 5-fach koordinierte kationische oder neutrale 6-fach koordinierte Si-Komplexe vor. Deren Farbigkeit wurde mittels UV/VIS-Spektroskopie untersucht. Von ausgewählten Komplexen wurden die Tensoren der 29Si-NMR-Verschiebung rechnerisch und CP/MAS-NMR-spektroskopisch bestimmt.

In dieser Arbeit werden die Resultate aus den elektrischen Untersuchungen an organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) auf der Basis von Pentacen und von verschiedenen Perylentetracarbonsäurediimid-Derivaten (PTCDI) vorgestellt und diskutiert. Die PTCDI-Derivate wurden zudem mit der spektroskopischen Ellipsometrie hinsichtlich ihrer Morphologie und ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein System zur Herstellung und zur elektrischen Charakterisierung von OFET-Strukturen entwickelt. Dieses erlaubt die Herstellung von Strukturen bzw. Schichtsystemen unter gekühlten oder erhitzten Bedingungen im Hochvakuum. Die elektrische Vermessung kann danach direkt im Vakuum erfolgen, ohne das erzeugte Bauteil den Gasen der Umgebungsluft oder Licht auszusetzen, wodurch die Ergebnisse von den Einflüssen beider Faktoren unabhängig sind. Außerhalb des Vakuums fanden weitere Messmethoden Verwendung, um die Grenzflächeneinflüsse und das organische Schichtwachstum detailliert zu untersuchen und mit den Ergebnissen der elektrischen Messungen korrelieren zu können. Das in der Literatur bereits vielfach besprochene p-leitende Pentacen wurde einerseits als Referenzmaterial bei der Entwicklung der Herstellungsprozedur für die hier erzeugten OFETs eingesetzt, andererseits auch zum Vergleich zwischen sowohl mit hydrophobisierendem Octadecyltrichlorosilan (OTS) oberflächenbehandelten und -unbehandelten OFETs. Zudem wurde es auch zum Vergleich zwischen dem hier verwendeten Top-Kontakt-Aufbau und dem in der Literatur diskutierten Bottom-Kontakt-Aufbau verwendet. Die elektrischen Messungen offenbarten einerseits eine um den Faktor 2 höhere Lochmobilität und andererseits auch eine erhöhte Stabilität unter Spannungsbelastung der OTS-behandelten Probe gegenüber der Nichtbehandlung. Die Schwellspannung blieb unbeeinflusst. Unter Verwendung der Potentiometrie konnten ortsaufgelöste Spannungsverläufe in Abhängigkeit von der Position im Kanal aufgenommen werden. Dabei zeigte sich für die hier verwendeten Top-Kontakt-OFETs kein signifikanter Kontaktwiderstand zwischen Gold und Pentacen an der Grenzfläche der Source- und Drain-Elektroden, wie es in der Literatur für Bottom-Kontakt-OFETs berichtet wurde. Das extrahierte ortsaufgelöste elektrische Feld im Kanal erschien für die OTS-behandelte Probe symmetrisch, während die unbehandelte Probe einen asymmetrischen Verlauf aufwies. Mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie konnten Aussagen über die Morphologie der n-leitenden PTCDI-Derivate DiMe-PTCDI, DiPhenyl-PTCDI, DiMethoxyethyl-PTCDI, Di3Pentyl-PTCDI, DiHeptyl-PTCDI und PDI-8CN2 getroffen werden. Die dabei im selben Prozess ermittelten dielektrischen Funktionen können für die Verwendung der untersuchten organischen Halbleiter in optoelektronischen Bauelementen von großer Bedeutung sein. Zur korrekten Beschreibung der unter DiPhenyl-PTCDI und DiMethoxyethyl-PTCDI auftretenden großen Oberflächenrauigkeiten wurde ein neues Ellipsometrie-Modell entwickelt, womit auch für diese Derivate die dielektrische Funktion bestimmt werden konnte. Ausgehend von den aus Rasterkraftmikroskopiebildern ermittelten tiefenabhängigen Materialdichteverteilungen wurde dabei ein angepasster Verlauf für die Materialdichte innerhalb der Rauigkeitsschicht entwickelt, welcher das traditionelle Modell vollständig ersetzen kann. Die elektrischen Messungen ergaben für die PTCDI-Derivate erheblich unterschiedliche Kenngrößen. Die verschiedenen Seitenketten führten dabei zu Unterschieden in der Elektronenmobilität von bis zu vier Größenordnungen. Ebenso wiesen die Schwellspannungen Differenzen bis 20 V auf. Des Weiteren zeigten sich unter elektrischer Belastung und nach einer thermischen Behandlung deutlich unterschiedliche und teilweise konträre Effekte hinsichtlich der Entwicklung der Elektronenmobilität und der Schwellspannung. Da alle untersuchten PTCDI-Derivate optisch isotrop aufwuchsen, konnte über der Molekülorientierung kein Bezug zur Ladungsträgermobilität gefunden werden. Jedoch konnten die sehr geringen Mobilitäten von DiPhenyl-PTCDI und DiMethoxyethyl-PTCDI auf deren Inselwachstum zurückgeführt werden, welches die nötige Pfadlänge für die Ladungsträger zwischen den Elektroden erhöhte. An Umgebungsluft stellten alle PTCDI-Derivate bis auf PDI-8CN2 ihre Funktionalität ein. Abgesehen von letzterem war DiMe-PTCDI nach erneutem Einbringen ins Vakuum und einer Erholungszeit von mehreren zehn Minuten wieder funktionstüchtig. Eine OTS-Behandlung wurde für PDI-8CN2 durchgeführt, um zu einem Vergleich mit den Ergebnissen von Pentacen zu gelangen. Es zeigte sich aber, dass nahezu alle elektrischen Eigenschaften von PDI-8CN2 durch diese Behandlung negativ beeinflusst wurden. / In this work the results of the electrical characterization of organic field-effect transistors (OFETs) based on pentacene and various derivatives of perylene tetracarboxylic diimide (PTCDI) are presented and discussed. The PTCDI derivatives were also characterized regarding their morphology and their optical properties using spectroscopic ellipsometry. A system for the preparation and electrical characterization of OFET structures was developed, which allows the preparation of thin film devices under cooled and annealed conditions, respectively, in high vacuum. The electrical measurements can be performed directly in vacuum without exposing the prepared device to the environmental gases or light making the results independent of these factors. Under ambient atmosphere further techniques have been used to study the growth of the organic layers in detail to correlate these results with the results of the electrical characterization. Pentacene is a p-conducting organic semiconductor which is most often discussed in literature regarding OFETs and has been used in this work as a reference material for the developed preparation system. Pentacene was also used for the comparison of two different dielectric/organic interfaces: one interface was bare SiO2 and the second interface was SiO2 treated with a self assembling monolayer of octadecyltrichlorosilane (OTS). Additionally it was used to compare the top-contact configuration for OFETs of this work with the bottom-contact configuration discussed in literature. The electrical measurements revealed on the one hand an increase in the hole mobility by a factor of two and on the other hand also an enhanced stability against bias stress for the OTS treated sample. The threshold voltage remained unchanged. Using potentiometry the electrical potential distribution within the transistor channel could be obtained. No interface resistance at the organic/metal interface could be found for top-contact configuration, in opposite to the high interface resistance reported in literature for the bottom-contact configuration. The extracted electrical field distribution within the channel showed a symmetric behavior for the OTS treated sample while it was asymmetric for the untreated sample. Using spectroscopic ellipsometry the morphology of the n-conducting PTCDI derivatives DiMe-PTCDI, DiPhenyl-PTCDI, DiMethoxyethyl-PTCDI, Di3Pentyl-PTCDI, DiHeptyl-PTCDI, and PDI-8CN2 could be revealed. The also determined dielectric functions are important for the use of the investigated organic semiconductors within opto-electronic devices. For a precise evaluation of large surface roughnesses, as found for DiPhenyl-PTCDI and DiMethoxyethyl-PTCDI, a new ellipsometry model was developed. Using atomic force microscopy pictures a depth-dependent material concentration could be determined which was put into the ellipsometry model of surface roughness. This new model can fully replace the traditional model. The electrical measurements for the PTCDI derivatives revealed a considerable influence of the various side groups on the device performance. The electron mobility spread over four orders of magnitude and the threshold voltage deviated by up to 20 V. Additionally the influence of bias stress and thermal annealing revealed different and partially oppositional behavior regarding the change in electron mobility and threshold voltage. As all molecules showed optical isotropy, the molecule orientation could not be correlated with the charge carrier mobility. However, the very low electron mobilities of Diphenyl-PTCDI and DiMethoxyethyl-PTCDI could be correlated with island growth which extends the necessary path length for the charge carriers between the electrodes. Under ambient atmosphere none of the PTCDI derivatives - beside PDI-8CN2 - was working. Nevertheless, DiMe-PTCDI continued its functionality when it was brought back into the vacuum. An OTS treatment was applied for one PDI-8CN2 sample. This treatment, however, led to worse electrical characteristics.

Die vorliegende Promotionsarbeit “Density functional study of the electronic and magnetic properties of selected transition metal complexes” beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen strukturellen Merkmalen sowie elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Einzelmolekül-Magneten. Im Wesentlichen konnte dabei gezeigt werden, dass die magnetischen Eigenschaften sowohl von strukturellen Merkmalen als auch von den elektronischen Eigenschaften bestimmt werden. Des Weiteren ergab sich, dass verschiedene Kenngrößen der magnetischen Eigenschaften (im speziellen der magnetische Grundzustand S sowie die magnetische Anisotropie D) miteinander korreliert sind. Dies ist im Besonderen für eine mögliche Anwendung von Einzelmolekül-Magneten im Bereich der Datenspeicherung von Bedeutung.

This thesis is concerned with theoretical concepts of phenomenological and statistical thermodynamics and their computational realization. The main goal of this thesis is to provide efficient workflows for an accurate description of thermodynamic properties of molecules and solid state materials. The Cp-MD workflow developed within this thesis is applied to characterize binary battery materials, such as lithium silicides.This workflow enables a numerically efficient description of macroscopic thermodynamic properties. For battery materials and metal-organic frameworks, it is shown that some macroscopic properties are dominantly controlled by microscopic properties. These microscopic properties are well described by respective small clusters or molecules.Given their reduced size, these systems can be calculated using more accurate and numerically more demanding methods. Standard density functional theory (DFT) and the so called Fermi-Löwdin orbital self-interaction correction (FLO-SIC) method are used for further investigations. It will be shown that SIC is able to overcome some of the problems of DFT. Given further workflows, it is demonstrated how a combination of different computational methods can speed up thermodynamic calculations and is able to deepen the understanding of the driving forces of macroscopic thermodynamic properties.:1 Introduction 2 Open-source and open-science I Theoretical basics 3 Computational methods 4 Computation of thermodynamic properties II Thermodynamics of solid state systems 5 Methodical developments 6 Lithium silicides 7 Metal-organic frameworks III Thermodynamics of nuclei and electrons 8 Electrons and bonding information 9 Thermodynamic properties IV Summary 10 Conclusion 11 Outlook V Appendix / Diese Arbeit befasst sich mit theoretischen Konzepten der phänomenologischen und statistischen Thermodynamik und deren numerischer Umsetzung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, Arbeitsabläufe für die akurate Beschreibung von thermodynamischen Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern zur Verfügung zu stellen. Der während dieser Arbeit entwickelte Cp -MD Arbeitsablauf wird angewandt um binäre Batteriemateralien, wie Lithiumsilizide, zu charakterisieren. Dieser Arbeitsablauf ermöglicht eine numerisch effiziente Beschreibung von makroskopischen thermodynamischen Eigenschaften. Für Batteriemateralien und metallorganische Gerüstverbindungen wird gezeigt, dass einige makroskopische Eigenschaften hauptsächlich von mikroskopischen Eigenschaften kontrolliert sind. Diese mikroskopischen Eigenschaften können mittels zugehöriger Cluster oder Moleküle beschrieben werden. Aufgrund ihrer reduzierten Größe können diese Systeme mit genaueren und numerisch aufwendigeren Methoden berechnet werden. Standard Dichtefunktionaltheorie (DFT) und die Fermi-Löwdin-Orbital Selbstwechselwirkungskorrektur (FLO-SWK) werden für weitere Untersuchungen verwendet. Es wird gezeigt, dass die SWK einige Probleme der DFT überwinden kann. Anhand weiterer Arbeitsabläufe wird gezeigt, wie eine Kombination von verschiedenen numerischen Methoden thermodynamische Berechnungen beschleunigen kann und in der Lage ist das Verständnis der Triebkräfte von makroskopischen thermodynamischen Eigenschaften zu vertiefen.:1 Introduction 2 Open-source and open-science I Theoretical basics 3 Computational methods 4 Computation of thermodynamic properties II Thermodynamics of solid state systems 5 Methodical developments 6 Lithium silicides 7 Metal-organic frameworks III Thermodynamics of nuclei and electrons 8 Electrons and bonding information 9 Thermodynamic properties IV Summary 10 Conclusion 11 Outlook V Appendix

Riboswitches have gained attention as tools for synthetic biology, since they enable researchers to reprogram cells to sense and respond to exogenous molecules. In vitro evolutionary approaches produced numerous RNA aptamers that bind such small ligands, but their conversion into functional riboswitches remains difficult. We previously developed a computational approach for the design of synthetic theophylline riboswitches based on secondary structure prediction. These riboswitches have been constructed to regulate ligand dependent transcription termination in Escherichia coli. Here, we test the usability of this design strategy by applying the approach to tetracycline and streptomycin aptamers. The resulting tetracycline riboswitches exhibit robust regulatory properties in vivo. Tandem fusions of these riboswitches with theophylline riboswitches represent logic gates responding to two different input signals. In contrast, the conversion of the streptomycin aptamer into functional riboswitches appears to be difficult. Investigations of the underlying aptamer secondary structure revealed differences between in silico prediction and structure probing. We conclude that only aptamers adopting the minimal free energy (MFE) structure are suitable targets for construction of synthetic riboswitches with design approaches based on equilibrium thermodynamics of RNA structures. Further improvements in the design strategy are required to implement aptamer structures not corresponding to the calculated MFE state.