Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Diffusionsprozesse in SiGe-Verbindungen mittels Molekulardynamiksimulationen. Für die Simulationen wird die freie Software LAMMPS verwendet in Kombination mit einem reaktiven Kraftfeld. Das Ziel der Si-mulationen ist einerseits herauszufinden, inwieweit eine Untersuchung von Diffusionsprozessen mit der heutigen Rechentechnik möglich ist, und andererseits zu untersuchen, wie gut das hier verwendete Kraftfeld die Diffusionsprozesse beschreibt. Darauf aufbauend sollen die Diffusi-onsmechanismen genauer erforscht werden. Untersuchungen der Gitterkonstante von SiGe-Systemen zeigen, dass das Temperaturverhalten von Silizium und Germanium nicht korrekt von dem verwendeten Potential wiedergegeben wird. Einerseits zeigen die Systeme kein Schmelzverhalten und andererseits ist die simulierte Gitter-konstante unabhängig von der Temperatur. Hingegen ergibt sich für die Germaniumabhängigkeit der Gitterkonstante ein linearer Verlauf, wie es in der Literatur angegeben wird. Simulationen eines Zweilagensystems, bestehend aus einer Lage Silizium und einer Lage Silizi-umgermanium, zeigen, dass die Diffusion des Germaniums in die Siliziumschicht zu langsam abläuft, um mit Molekulardynamik direkt untersucht zu werden. In weiteren Untersuchungen werden deshalb die einzelnen Diffusionsmechanismen genauer betrachtet. Die dabei ermittelten Diffusionskonstanten nehmen exponentiell, wie in der Literatur angegeben, mit der Temperatur zu. Weiterhin folgt aus den Simulationen, dass der Einbau von Germaniumatomen in Siliziumsysteme die Diffusionsmechanismen behindert. Dabei ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Anteil an Germaniumatomen und der Diffusi-onskonstante. Die berechneten Diffusionskonstanten können als Eingabewert für gröbere Modelle verwendet werden, wie zum Beispiel kinetic-Monte-Carlo-Simulationen.:I. ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS II. SYMBOLVERZEICHNIS 1. EINLEITUNG 2. SIGE ALS KANALMATERIAL FÜR MOSFET-TRANSISTOREN 2.1. MOSFET IN DIGITALEN SCHALTUNGEN 2.2. KRISTALLSTRUKTUR VON SIGE-VERBINDUNGEN 2.2.1. Der Idealkristall 2.2.2. Der Realkristall 2.3. BILDUNG DES KANALS 2.3.1. Heteroepitaxie von SiGe auf Ge 2.3.2. SGOI Technologie 2.4. DIE ATOMISTISCHE DIFFUSION 3. GRUNDLAGEN DER MOLEKULARDYNAMIKSIMULATION 3.1. DAS REAXFF POTENTIAL 3.2. PHYSIKALISCHE ENSEMBLES 3.3. LAMMPS 4. SIMULATIONEN 4.1. GITTERKONSTANTE VON SIGE-VERBINDUNGEN 4.1.1. Modellsystem 4.1.2. Ergebnisse und Vergleich mit der Literatur 4.2. INTERDIFFUSION IN SIGE-HETEROSYSTEMEN 4.2.1. Modellsystem 4.2.2. Ergebnisse 4.3. EINZELSPRUNGBETRACHTUNG VON INTERSTITIALS 4.3.1. Modellsystem 4.3.2. Einzelsprungauswertung von Interstitials 4.3.3. Ergebnisse der Einzelsprungauswertung 4.4. MSD-BETRACHTUNG VON INTERSTITIALS 4.4.1. Modellsystem und Auswertemethode 4.4.2. Vergleich der MSD-Betrachtung mit der Einzelsprungbetrachtung und mit Literaturwerten 4.5. MSD-BETRACHTUNG VON LEERSTELLEN 4.5.1. Modellsystem und Auswertemethode 4.5.2. Ergebnisse und Vergleich mit Literatur 4.6. VERGLEICH DER DIFFUSION VON LEERSTELLEN UND INTERSTITIALS 5. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICKE 5.1. ZUSAMMENFASSUNG 5.2. AUSBLICKE 6. ABBILDUNGSVERZEICHNIS 7. TABELLENVERZEICHNIS 8. REFERENCES

Light is one of the most advantageous stimuli to manipulate functional materials because it can be applied contactless and with high precision. A common strategy to prepare light-responsive physical systems is the embedding of photoswitchable groups such as the dye molecule azobenzene (azo). Upon irradiation with UV light, azobenzene undergoes photoisomerization from the trans to the cis isomer, whereas blue light triggers the inverse conversion. The two isomers differ with respect to their shape, solubility, and light absorption. Up to now, comparatively little research has been focusing on compounds that unite several photoswitchable groups. Such so-called multiphotochromes are promising multi-state molecular systems that can be controlled by light. In this thesis, the object of study is a star-shaped multiphotochromic molecule denoted TrisAzo. It is composed of three azo groups, which are centrally linked by a light-inert BTA group. The molecule has four photoisomers, ranging from the all-trans to the all-cis isomer. Furthermore, TrisAzo is the elementary building block of light-responsive supramolecular aggregates in solution. Previous experimental works report severe morphological changes of the aggregates under UV–Vis light but the underlying molecular mechanisms are still debated. The objective of this thesis is to elucidate the effects of light on TrisAzo – first, concerning its molecular properties and second, regarding the structure and stability of its supramolecular aggregates. In the presented work, the photoisomers of an azobenzene star with a BTA core are studied for the first time via computational methods, particularly using density functional theory and fully atomistic molecular dynamics (MD) simulations. The solvational and optical properties of TrisAzo are quantified as a function of its isomerization state. The solubility of TrisAzo in polar solvents improves with an increasing fraction of the cis-azo arms due to a redistribution of electron density. The absorption spectra of the TrisAzo isomers are nearly linear superpositions of the individual azo arm spectra but with slight deviations. These deviations indicate weak electronic coupling effects between the connected azo groups. Supramolecular aggregates of TrisAzo molecules in water are modeled using fully atomistic MD simulations for extensive investigations on the molecular scale. In equilibrium conditions, it is verified that randomly distributed TrisAzo molecules self-assemble into column-shaped stacks. Simulations of pre-assembled TrisAzo stacks provide detailed insights into their intermolecular interactions. The binding energies are dominated by π-π interactions between conjugated parts of the stacked molecules, especially the azo groups, while hydrogen bonds between the BTA cores play a subordinate but stabilizing role. To implement the effects of light into the simulations, a stochastic model of the repeated photoisomerization of azobenzene is developed. This model reproduces the photoisomerization kinetics of TrisAzo in good agreement with theory and previous experimental results. Based on this approach, light of various intensities and wavelengths is applied on an equilibrated TrisAzo stack. In contrast to prior assumptions, the simulations indicate that a stacked TrisAzo aggregate irradiated by light does not break or disassemble into separate fragments. The stack instead develops defects in the form of molecular shifts and reorientations. As a result, the aggregate eventually loses its columnar shape. The mechanism and driving forces behind these structural changes are clarified based on the simulation results. Thus, this work provides a new interpretation of the experimentally observed morphological changes. The obtained insights on the molecular scale may facilitate the design of light-responsive gels and supramolecular polymers.:Abstract v Kurzfassung vii 1 Introduction 1 2 Properties of Azobenzene and Azobenzene-Containing Materials 5 2.1 Azobenzene 5 2.1.1 Isomers and Photoisomerization 6 2.1.2 The Photostationary State 10 2.2 Multiphotochromic Molecules Based on Azobenzene 10 2.2.1 Azobenzene Stars 11 2.2.2 The Benzene-1,3,5-Tricarboxamide Linker Unit 11 3 Computational Methods and Models 15 3.1 Density Functional Theory 15 3.1.1 Functional and Basis Set 16 3.1.2 Implicit Solvation Models 17 3.1.3 Time-Dependent Density Functional Theory 17 3.2 Molecular Dynamics Simulations 18 3.2.1 All-Atom MD Simulations 18 3.2.2 Force Fields 19 4 Simulation Techniques 23 4.1 Thermodynamic Integration 23 4.1.1 Implementation in Atomistic Simulations 24 4.2 Modeling Photoisomerization in MD Simulations 27 4.2.1 Implementation of the Rotation Pathway 28 4.3 Modeling Light-Irradiated Azo-Materials in MD Simulations 30 4.3.1 The Cyclic Photoisomerization Model 31 5 Photoisomers of an Azobenzene Star 35 5.1 Object of Study: The Molecule TrisAzo 35 5.1.1 Isomers and Conformers 35 5.2 Ground State Properties in the Gas Phase and in Solvents 36 5.2.1 Energies and Standard Enthalpies of Formation 37 5.2.2 Geometry and Shape Properties 38 5.2.3 Dipole Moments 42 5.2.4 Molecular Properties Upon Hydration in Explicit Water 44 5.3 Solubility 47 5.3.1 Influence of Solvent Polarity 48 5.3.2 Influence of Isomerization State 48 5.3.3 Hydration Free Energy 49 5.4 Absorption Spectra and Intramolecular Coupling 51 5.4.1 Influence of the Number of Azo Groups and Their Isomerization State 52 5.4.2 Effect of the Solvent Polarity 54 5.5 Summary 56 6 Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters 59 6.1 Supramolecules of Azobenzene Stars in the Experiment 60 6.1.1 Light-Induced Morphological Transition 60 6.2 Self-Assembly Starting from a Random Distribution 62 6.2.1 Radial Distribution Function 63 6.2.2 Cluster Analysis 65 6.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer 69 6.3.1 Total Intermolecular Energy 70 6.3.2 Energy Decomposition 71 6.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters 75 6.4.1 Considered Cluster Arrangements (Cluster Types) 75 6.4.2 Inner Structure of the Clusters 79 6.4.3 Effect of Cluster Size 79 6.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters 82 6.5.1 Total Intermolecular Energy 82 6.5.2 Energy Decomposition 83 6.5.3 The Role of Hydrogen Bonding 88 6.5.4 Rationalizing the Structural Differences of the Considered Cluster Types 91 6.6 Summary 93 7 Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light 97 7.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model 97 7.1.1 Cluster Structure Before and After Irradiation 98 7.1.2 Intermolecular Energy 101 7.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model 104 7.2.1 Photoisomerization Kinetics 104 7.2.2 Cluster Structure Under Irradiation 108 7.2.3 Intermolecular Energy of TrisAzo Stacks Under Irradiation 112 7.2.4 Mechanism of Defect Formation 116 7.2.5 Comparison with Simulations of Comparable Systems 118 7.3 Summary 118 8 Summary and Outlook 121 8.1 Summary 121 8.2 Outlook 123 A Functional Form of the Force Fields 125 A.1 DREIDING Force Field 125 A.2 Polymer Consistent Force Field (PCFF) 129 B Additional Details about Thermodynamic Integration 133 B.1 Derivation of the Formalism 133 B.2 Avoiding Singularities and Instabilities 134 C Details of the Computational Models 137 C.1 DFT and TD-DFT Calculations 137 C.1.1 DFT Calculations 137 C.1.2 TD-DFT Calculations 138 C.2 MD Simulations of TrisAzo Molecules in PCFF 138 C.2.1 Parametrization 139 C.2.2 Preparation of Initial Configurations 139 C.2.3 Simulation Settings 140 C.3 MD Simulations of TrisAzo Molecules in DREIDING 140 C.3.1 Parametrization 141 C.3.2 Preparation of Initial Configurations 141 C.3.3 Simulation Settings 141 C.4 Intermolecular Energy Calculations of TrisAzo Dimers in PCFF and DREIDING 142 C.5 Visualization of Molecular Structures 142 D Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters: Additional Material 143 D.1 From Experiments to Simulations 143 D.2 Cluster Analysis for TrisAzo Self-Assembly: Additional Material 144 D.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer: PCFF Results 145 D.3.1 Total Intermolecular Energy 145 D.3.2 Energy Decomposition 145 D.3.3 Estimated Total Intermolecular Energy of TrisAzo-H 148 D.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 149 D.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 150 D.5.1 Defect Detection Algorithm 151 D.6 The Role of Hydrogen Bonds: Additional Material 152 E Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light: Additional Material 155 E.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model: Additional Material 155 E.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model: Additional Material 156 F Code Availability 161 Bibliography 163 List of Publications 183 Copyright of Published Articles 187 Acknowledgements / Danksagung 189 List of Abbreviations 191 List of Symbols 193 List of Physical Constants and Unit Conversions 195 Eidesstattliche Erklärung 197 / Licht ist einer der vorteilhaftesten Stimuli für die Manipulation responsiver Funktionsmaterialien, da es berührungslos und mit hoher Präzision angewendet werden kann. Ein weit verbreiteter Ansatz zur Herstellung lichtresponsiver physikalische Systeme ist der Einbau lichtschaltbarer Gruppen wie das Farbstoffmolekül Azobenzol (Azo). Unter UV-Licht vollzieht Azobenzol eine Photoisomerisation vom trans- zum cis-Isomer, während blaues Licht die umgekehrte Umwandlung auslöst. Die beiden Isomere unterscheiden sich vor allem durch ihre räumliche Gestalt, Löslichkeit und Lichtabsorption. Noch unzureichend erforscht sind Moleküle, die mehrere lichtschaltbare Gruppen in sich vereinen. Solche sogenannten Multiphotochrome sind vielversprechende molekulare Mehrzustandssysteme, die durch Licht geschaltet werden können. Untersuchungsobjekt dieser Arbeit ist ein sternförmiges multiphotochromes Molekül namens TrisAzo. Es besteht aus drei Azogruppen, die zentral über eine gegenüber Licht inerte BTA-Gruppe verknüpft sind. Dementsprechend existieren vier Photoisomere dieses Moleküls, vom all-trans- bis zum all-cis-Isomer. Des Weiteren ist TrisAzo der elementare Baustein lichtempfindlicher supramolekularer Aggregate in Lösung. Frühere experimentelle Arbeiten berichten starke morphologische Strukturänderungen der Aggregate unter Lichteinfluss, jedoch sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen bisher ungeklärt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen von Licht auf TrisAzo aufzuklären, erstens in Bezug auf dessen molekulare Eigenschaften und zweitens hinsichtlich der Struktur und Stabilität der supramolekularen Aggregate. In der vorgestellten Arbeit werden erstmals die Photoisomere eines Azosterns mit BTA-Kern auf Basis computerbasierter Methoden untersucht. Eingesetzt werden dabei Dichtefunktionaltheorie und atomistische Molekulardynamiksimulationen (MD). Insbesondere wird die Löslichkeit und das Lichtabsorptionsverhalten von TrisAzo in Abhängigkeit seines Isomerisationszustands analysiert. Die Löslichkeit von TrisAzo verbessert sich mit steigendem Anteil der cis-Azogruppen aufgrund einer damit einhergehenden Umverteilung der Elektronendichte. Die Absorptionsspektren der TrisAzo-Isomere sind in erster Näherung lineare Superpositionen der Einzelspektren jedes Molekülarms, jedoch mit geringen Abweichungen. Diese Abweichungen deuten auf schwache elektronische Kopplungseffekte zwischen den Azogruppen hin. Supramolekularen Aggregate von TrisAzo-Molekülen in Wasser werden für umfangreiche Untersuchungen auf molekularer Ebene in atomistischen MD-Simulationen modelliert. Im thermodynamischen Gleichgewicht bestätigt sich, dass sich zufällig verteilte TrisAzo-Moleküle in säulenförmig gestapelten Aggregaten zusammenfinden. Weitere Simulationen vorgestapelter TrisAzo-Aggregate liefern detaillierte Rückschlüsse auf deren intermolekulare Wechselwirkungen. Die Bindungsenergien werden von π-π-Wechselwirkungen zwischen den konjugierten Bereichen der aufeinanderliegenden Moleküle dominiert. Wasserstoffbrücken zwischen den BTA-Gruppen haben eine untergeordnete, aber stabilisierende Rolle. Um den Effekt von Licht in die Simulationen einzubauen, ist ein stochastisches Modell für die wiederholte Photoisomerisation der Azogruppen entwickelt worden. Dieses Modell reproduziert die Photoisomerisationskinetik von TrisAzo in guter Übereinstimmung mit Theorie und vorigen Experimenten. Basierend auf diesem Ansatz wird Licht verschiedener Intensitäten und Wellenlängen auf die gestapelten TrisAzo-Aggregate angewandt. Entgegen früherer Annahmen zerfallen die Aggregate daraufhin nicht in Einzelfragmente. Stattdessen entwickeln sie Defekte in Form von Molekülumordnungen sowie -reorientierungen und verlieren dadurch ihre säulenartige Form. Der Mechanismus und die Ursachen dieser Strukturänderungen werden anhand der Simulationen aufgeklärt. Damit liefert diese Arbeit eine neue Interpretation der experimentell beobachteten morphologischen Veränderungen. Die gewonnenen Erkenntnisse können die Entwicklung lichtresponsiver Gele und supramolekularer Polymere unterstützen.:Abstract v Kurzfassung vii 1 Introduction 1 2 Properties of Azobenzene and Azobenzene-Containing Materials 5 2.1 Azobenzene 5 2.1.1 Isomers and Photoisomerization 6 2.1.2 The Photostationary State 10 2.2 Multiphotochromic Molecules Based on Azobenzene 10 2.2.1 Azobenzene Stars 11 2.2.2 The Benzene-1,3,5-Tricarboxamide Linker Unit 11 3 Computational Methods and Models 15 3.1 Density Functional Theory 15 3.1.1 Functional and Basis Set 16 3.1.2 Implicit Solvation Models 17 3.1.3 Time-Dependent Density Functional Theory 17 3.2 Molecular Dynamics Simulations 18 3.2.1 All-Atom MD Simulations 18 3.2.2 Force Fields 19 4 Simulation Techniques 23 4.1 Thermodynamic Integration 23 4.1.1 Implementation in Atomistic Simulations 24 4.2 Modeling Photoisomerization in MD Simulations 27 4.2.1 Implementation of the Rotation Pathway 28 4.3 Modeling Light-Irradiated Azo-Materials in MD Simulations 30 4.3.1 The Cyclic Photoisomerization Model 31 5 Photoisomers of an Azobenzene Star 35 5.1 Object of Study: The Molecule TrisAzo 35 5.1.1 Isomers and Conformers 35 5.2 Ground State Properties in the Gas Phase and in Solvents 36 5.2.1 Energies and Standard Enthalpies of Formation 37 5.2.2 Geometry and Shape Properties 38 5.2.3 Dipole Moments 42 5.2.4 Molecular Properties Upon Hydration in Explicit Water 44 5.3 Solubility 47 5.3.1 Influence of Solvent Polarity 48 5.3.2 Influence of Isomerization State 48 5.3.3 Hydration Free Energy 49 5.4 Absorption Spectra and Intramolecular Coupling 51 5.4.1 Influence of the Number of Azo Groups and Their Isomerization State 52 5.4.2 Effect of the Solvent Polarity 54 5.5 Summary 56 6 Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters 59 6.1 Supramolecules of Azobenzene Stars in the Experiment 60 6.1.1 Light-Induced Morphological Transition 60 6.2 Self-Assembly Starting from a Random Distribution 62 6.2.1 Radial Distribution Function 63 6.2.2 Cluster Analysis 65 6.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer 69 6.3.1 Total Intermolecular Energy 70 6.3.2 Energy Decomposition 71 6.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters 75 6.4.1 Considered Cluster Arrangements (Cluster Types) 75 6.4.2 Inner Structure of the Clusters 79 6.4.3 Effect of Cluster Size 79 6.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters 82 6.5.1 Total Intermolecular Energy 82 6.5.2 Energy Decomposition 83 6.5.3 The Role of Hydrogen Bonding 88 6.5.4 Rationalizing the Structural Differences of the Considered Cluster Types 91 6.6 Summary 93 7 Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light 97 7.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model 97 7.1.1 Cluster Structure Before and After Irradiation 98 7.1.2 Intermolecular Energy 101 7.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model 104 7.2.1 Photoisomerization Kinetics 104 7.2.2 Cluster Structure Under Irradiation 108 7.2.3 Intermolecular Energy of TrisAzo Stacks Under Irradiation 112 7.2.4 Mechanism of Defect Formation 116 7.2.5 Comparison with Simulations of Comparable Systems 118 7.3 Summary 118 8 Summary and Outlook 121 8.1 Summary 121 8.2 Outlook 123 A Functional Form of the Force Fields 125 A.1 DREIDING Force Field 125 A.2 Polymer Consistent Force Field (PCFF) 129 B Additional Details about Thermodynamic Integration 133 B.1 Derivation of the Formalism 133 B.2 Avoiding Singularities and Instabilities 134 C Details of the Computational Models 137 C.1 DFT and TD-DFT Calculations 137 C.1.1 DFT Calculations 137 C.1.2 TD-DFT Calculations 138 C.2 MD Simulations of TrisAzo Molecules in PCFF 138 C.2.1 Parametrization 139 C.2.2 Preparation of Initial Configurations 139 C.2.3 Simulation Settings 140 C.3 MD Simulations of TrisAzo Molecules in DREIDING 140 C.3.1 Parametrization 141 C.3.2 Preparation of Initial Configurations 141 C.3.3 Simulation Settings 141 C.4 Intermolecular Energy Calculations of TrisAzo Dimers in PCFF and DREIDING 142 C.5 Visualization of Molecular Structures 142 D Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters: Additional Material 143 D.1 From Experiments to Simulations 143 D.2 Cluster Analysis for TrisAzo Self-Assembly: Additional Material 144 D.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer: PCFF Results 145 D.3.1 Total Intermolecular Energy 145 D.3.2 Energy Decomposition 145 D.3.3 Estimated Total Intermolecular Energy of TrisAzo-H 148 D.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 149 D.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 150 D.5.1 Defect Detection Algorithm 151 D.6 The Role of Hydrogen Bonds: Additional Material 152 E Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light: Additional Material 155 E.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model: Additional Material 155 E.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model: Additional Material 156 F Code Availability 161 Bibliography 163 List of Publications 183 Copyright of Published Articles 187 Acknowledgements / Danksagung 189 List of Abbreviations 191 List of Symbols 193 List of Physical Constants and Unit Conversions 195 Eidesstattliche Erklärung 197

We utilize the exact factorization of the electron-nuclear wave function [Abedi et al., PRL 105 123002 (2010)] to illuminate several aspects of laser-driven molecular dynamics in intense femtosecond laser pulses. Above factorization allows for a splitting of the full molecular wave function and leads to a time-dependent Schrödinger equation for the nuclear subsystem alone which is exact in the sense that the absolute square of the corresponding, purely nuclear, wave function yields the exact nuclear N-body density of the full electron-nuclear system. As one remarkable feature, this factorization provides the exact classical force, the force which contains the highest amount of electron-nuclear correlations that can be retained in the quantum-classical limit of the electron-nuclear system. We re-evaluate the classical limit of the nuclear Schrödinger equation from the perspective of the exact factorization, and address the long-standing question of the validity of the popular quantum-classical surface hopping approach in laserdriven cases. In particular, our access to the exact classical force allows for an elaborate evaluation of the various and completely different potential energy surfaces frequently applied in surface hopping calculations. The highlight of this work consists in a generalization of the exact factorization and its application to the laser-driven molecular wave function in the Floquet picture, where the molecule and the laser form an united quantum system exhibiting its own Hilbert space. This particular factorization enables us to establish an analytic connection between the exact nuclear force and Floquet potential energy surfaces. Complementing above topics, we combine different well-known and proven methods to give a systematic study of molecular dissociation mechanisms for the complicated electric fields provided by modern attosecond laser technology.:Contents Introduction 1 The exact factorization of time-dependent wave functions 1.1 Concern and state of the art 1.2 The exact factorization of the electron-nuclear wave function 1.3 The generalized exact factorization 1.4 The exact factorization for coupled harmonic oscillators 1.5 The exact factorization for a single particle with spin 1.6 The exact factorization of the laser-driven electron-nuclear wave function in the Floquet picture 1.7 Summary and conclusion 2 Quantum-classical molecular dynamics from an exact factorization perspective 2.1 Concern and state of the art 2.2 The exact nuclear TDSE 2.3 The Wigner-Moyal equation for the nuclear TDSE and its classical limit 2.4 The Bohmian formulation of the nuclear TDSE and its classical limit 2.5 Comparative calculations 2.5.1 Scenario 1: stationary states 2.5.2 Scenario 2: laser-driven dynamics 2.6 Summary and conclusion 3 Surface hopping in laser-driven molecular dynamics 3.1 Concern and state of the art 3.2 Surface hopping 3.3 Quantum-classical dynamics on the EPES 3.4 The benchmark model and its potential energy surfaces 3.5 Surface hopping in laser-driven molecular dynamics 3.6 Summary and conclusion 4 Beyond the limit of the Floquet picture: molecular dissociation in few-cycle laser pulses 4.1 Concern and state of the art 4.2 Theoretical few-cycle pulses 4.3 Calculation of dissociation probabilities 4.4 Dissociation in few-cycle pulses 4.4.1 Dissociation in half-cycle pulses 4.4.2 Dissociation in few-cycle pulses 4.5 Dissociation in realistic attosecond pulses 4.6 Summary and conclusion Outlook Appendices A List of abbreviations B Numerical details C Calculating electronic observables within quantum-classical molecular dynamics D Ionization in few-cycle pulses E Modeling an optical attosecond pulse Bibliography

Both ammonia and phosphine are widely used in industrial processes, and yet they are noxious and exhibit detrimental effects on human health. Despite the remarkable progress on sensors development, there are still some limitations, for instance, the requirement of high operating temperatures, and that most sensors are solely dedicated to individual gas monitoring. Herein, an ultrasensitive, highly discriminative platform is demonstrated for the detection and identification of ammonia and phosphine at room temperature using a graphene nanosensor. Graphene is exfoliated and successfully functionalized by copper phthalocyanine derivate. In combination with highly efficient machine learning techniques, the developed graphene nanosensor demonstrates an excellent gas identification performance even at ultralow concentrations: 100 ppb NH3 (accuracy—100.0%, sensitivity—100.0%, specificity—100.0%) and 100 ppb PH3 (accuracy—77.8%, sensitivity—75.0%, and specificity—78.6%). Molecular dynamics simulation results reveal that the copper phthalocyanine derivate molecules attached to the graphene surface facilitate the adsorption of ammonia molecules owing to hydrogen bonding interactions. The developed smart gas sensing platform paves a path to design a highly selective, highly sensitive, miniaturized, low-power consumption, nondedicated, smart gas sensing system toward a wide spectrum of gases.

Die geordneten mesoporösen Silikamaterialien SBA-15 und MCM-41 zeichnen sich durch lange zylindrische Poren aus, die auf einem 2D-hexagonalen Gitter arrangiert sind. Auf Grund dieser Eigenschaften finden sie vielfach Anwendung in der Industrie, bieten jedoch auch die Möglichkeit Sorptionsvorgänge und die dadurch induzierten Verformungen auf der Nanometerebene zu untersuchen. Dazu werden im ersten Teil dieser Arbeit Kleinwinkelröntgenstreuungsdaten mit Hilfe eines Formfaktormodells angefittet, um die Adsorption von Fluid in den Poren in Abhängigkeit vom Dampfdruck nachvollziehen zu können. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Gittermodell eingeführt, welches die Vorgänge während der Sorption mit Hilfe heuristischer Füllmechanismen reproduziert und im Abgleich mit experimentellen Daten Auskunft über die Verteilung der Porosität auf Mikro- und Mesoporen in SBA-15 gibt. Weiterhin wird der Einfluss der begrenzten Geometrie auf die Selbstassemblierung von Tensiden in SBA-15 untersucht. Hierzu werden Neutronenstreudaten durch die Kombination eines Formfaktormodells für die Bragg-Streuung und des Teubner-Strey-Modells für die diffuse Streuung modelliert und interpretiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den elastischen Verformungen der mesoporösen Materialien durch die Fluidsorption. Dazu wird eine Molekulardynamik-Simulation eines Lennard-Jones-Fluids in einer Schlitzpore vorgestellt, um den Ursprung dieser Verformungen auf der mikroskopischen Ebene zu untersuchen. Diese Ergebnisse fließen anschließend in ein makroskopisches Modell eines ganzen Kristalliten des mesoporösen Materials ein, wodurch ein einfaches Multiskalenmodell entsteht. Die makroskopische Ebene wird dabei durch eine Finite-Elemente-Simulation beschrieben, die im Abgleich mit experimentellen Daten weitere Aussagen über die elastischen Eigenschaften des Materials erlaubt. / The ordered mesoporous silica materials SBA-15 and MCM-41 consist of long cylindrical pores arranged on a 2D-hexagonal lattice. Due to these features, they are used for a range of industrial applications but provide also a possibility to study sorption processes and sorption-induced deformations on the nanoscale. In the first part of this work small-angle X-ray scattering data are fitted with a form factor model in order to examine fluid adsorption in the pores. Based on these results a lattice model is introduced which reproduces the sorption process using heuristic filling mechanisms and clarifies how the porosity of SBA-15 is composed out of micro- and mesopores. Furthermore, the influence of the confined geometry on the self-assembly of surfactants in SBA-15 is studied. For this, neutron scattering data are modeled and interpreted by the combination of a form factor model for the Bragg scattering and the Teubner-Strey model for the diffuse scattering. The second part of this work focuses on the elastic deformations caused by fluid sorption in the mesoporous materials. A Molecular Dynamics simulation of a Lennard-Jones fluid in a slit-pore is presented in order to reveal the origin of these deformations on the microscopic scale. These results are subsequently implemented into a macroscopic model of whole crystallite, thereby creating a simple multi-scale model. The macroscopic scale is modeled with a Finite Elements simulation, which by comparison with experimental data delivers further insights into the elastic properties of the material.

Die zuverlässige Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit vieler Materialien aus ersten Prinzipien erfordert die Berücksichtigung der anharmonischen Gitterdynamik. Der ab initio Kubo-Greenwood (KG)-Ansatz, der die KG-Leitfähigkeitsformel und die ab initio-Molekulardynamik kombiniert, scheint vielversprechend zu sein, da er die Anharmonizität des Gitters auf natürliche Weise berücksichtigt. Seine Anwendung auf kristalline Materialien hat jedoch bisher nur wenig Beachtung gefunden. Diese Arbeit beschreibt den KG-Ansatz und stellt eine numerische Implementierung dieses Ansatzes für den harmonischen Kristall Si und den anharmonischen Kristall SnSe vor. Die Fallstudie für Si zeigt erhebliche numerische Schwierigkeiten bei den KG-Berechnungen auf. Insbesondere behindert die erforderliche dichte k-Punkt-Abtastung die Konvergenz in Superzellengröße und macht die Berechnungen nur innerhalb der (semi-)lokalen Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchführbar. Außerdem führt die notwendige Einführung eines Verbreiterungsparameters (η) zu einer erheblichen Unsicherheit bei der Bestimmung der Leitfähigkeit. Um diese Probleme zu lösen, werden rechnerisch effiziente Strategien diskutiert, darunter: (i) der "Scherenoperator"-Ansatz zur Korrektur des DFT-Bandlückenproblems; (ii) das "Optimal-η-Schema" zur Wahl eines geeigneten Wertes von η; und (iii) die Finite-Size-Scaling-Methode zur Ableitung der Leitfähigkeit in der thermodynamischen Grenze. Es wird festgestellt, dass die KG-Berechnungen mit diesen Strategien Leitfähigkeiten in angemessener Übereinstimmung mit den Experimenten ergeben. Der Vergleich mit früheren ab initio Boltzmann-Transportberechnungen zeigt jedoch, dass das η-Problem und die Frage der Konvergenz in Superzellengröße weiter verbesserte Konzepte erfordern. Die Fallstudie für SnSe zeigt sehr ähnliche numerische Schwierigkeiten wie im Fall von Si. Es werden Einblicke in die Auswirkung der Anharmonizität auf die Konvergenz der Superzellengröße gegeben. / Reliable first-principles calculation of the electrical conductivity in many materials requires accounting for the anharmonic lattice dynamics. The ab initio Kubo-Greenwood (KG) approach, which combines the KG conductivity formula and ab initio molecular dynamics, appears to be promising because it naturally includes lattice anharmonicity. However, its application to crystalline materials has so far received very little attention. This thesis describes the KG approach and presents a numerical implementation of this approach for the harmonic crystal Si and the anharmonic crystal SnSe. The case study for Si identifies considerable numerical difficulties in the KG calculations. In particular, the dense k-point sampling required hinders supercell-size convergence and makes the calculations only feasible within (semi)local density-functional theory (DFT). Besides, the necessary introduction of a broadening parameter (η) introduces a significant uncertainty in determining the conductivity. To address these issues, computationally efficient strategies are discussed, including: (i) the "scissor operator" approach to correct the DFT band-gap problem; (ii) the "optimal-η scheme" to choose an appropriate value of η; and (iii) the finite-size scaling method to deduce the conductivity in the thermodynamic limit. It is found that with these strategies, the KG calculations yield conductivities in reasonable agreement with experiment. Yet, comparison with previous ab initio Boltzmann transport calculations shows that the η problem and the issue of supercell-size convergence still require improved concepts. The case study for SnSe shows very similar numerical difficulties as in the case of Si. Insights into the effect of anharmonicity on the supercell-size convergence are provided.

Mikrobielle Rhodopsine sind Membranproteine, die Lichtsensitivität mit sensorischer, enzymatischer oder ionenleitender Funktion in einem Protein vereinen. Ihre strukturelle Kompaktheit macht lichtgetriebene Ionenpumpen und lichtgesteuerte Kanalrhodopsine (ChRs) zu weit verbreiteten optogenetischen Werkzeugen in der biologischen Forschung. Die Entdeckung und Entwicklung weiterer Ionenselektivitäten eröffnet neue Möglichkeiten der optogenetischen Manipulation des Membranpotentials elektrogener Zellen wie Neuronen. Seit langem wird an lichtgesteuerten K+-selektiven Ionenkanälen geforscht, um biologisch kompatible inhibierende Proteine zu kreieren. Eine Punktmutation im Rhodopsin KR2, einer lichtgesteuerten Na+-Pumpe aus dem Meeresbakterium Dokdonia eikasta, induzierte K+-selektive Leckströme. In dieser Studie wurden die Limitationen dieser KR2-R109Q-Mutante mithilfe elektrophysiologischer Methoden experimentell charakterisiert, begleitet von computergestützten pKa-Vorhersagen und MD-Simulationen. Eine Mutationsstudie offenbarte die molekularen Ursachen für die nachteilige pH-Abhängigkeit und die verbleibende Na+-Pumpaktivität. Durch Kombination von Schlüsselmutationen im Extrazellularraum des Proteins konnten diese Einschränkungen reduziert werden und größere K+-Leitfähigkeit unter physiologischen Bedingungen erzielt werden. Währenddessen wurden die ersten K+-selektiven ChRs unter physiologischen Bedingungen entdeckt, die KCRs. HcKCR1 aus der stramenopilen Alge Hyphochytrium catenoides und Mutanten der Ionenleitpore wurden elektrisch charakterisiert, unterstützt durch strukturelle Vorhersagen. Ein neuartiger hydrophober Selektivitätsfilter wurde identifiziert und seine Konservierung in verwandten Stramenopilen-ChRs nachgewiesen. WiChR aus Wobblia lunata zeigte hierbei eine beispiellose K+-Permeabilität und erreichte in Herzmuskelzellen und Neuronen hohe Eignung in Ein- und Zweiphotoneninhibition bei niedriger Lichtintensität und geringer Gewebeerwärmung. / Microbial rhodopsins are light-sensitive membrane proteins found in all domains of life. They combine photosensitivity with sensory, enzymatic or ion-translocating functions. Their structural simplicity makes light-driven ion pumps and light-gated channelrhodopsins (ChRs) valuable optogenetic tools for controlling cellular activity with light. Discovering and engineering new forms of ion selectivity expands possibilities for manipulating the membrane potential of electrogenic cells like neurons. Light-sensitive K+-selective ChRs have been highly anticipated as inhibitory optogenetic tools. A point mutation in the central gate of KR2, a light-driven Na+-pump rhodopsin from the marine bacterium Dokdonia eikasta, resulted in K+-selective leak photocurrents. This study experimentally characterized the main limitations of this KR2-R109Q variant using two-electrode and whole-cell voltage-clamp methods, supported by computational pKa prediction and classical MD simulations. An extensive mutational study revealed the molecular cause for the detrimental pH-sensitivity and residual Na+-pumping activity. Combining key mutations in the extracellular part of the protein reduced these limitations, yielding larger K+-selective photocurrents under physiological conditions. During this study, a novel ChR family with superior properties, Kalium ChRs (KCRs) was discovered, representing the first K+-selective ChRs under physiological conditions. HcKCR1 from the stramenopile alga Hyphochytrium catenoides and mutants of its putative ion conduction pore were electrically characterized in WCVC experiments, supported by structural predictions. A novel type of hydrophobic selectivity filter was identified and found to be conserved in related stramenopile ChRs. Among them, WiChR from Wobblia lunata exhibited an unmatched preference for K+ over Na+ and favorable performance in cardiac myocytes and neurons, allowing single- and two-photon inhibition at low irradiance and reduced tissue heating.

Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.

This work presents theoretical background for the investigation of nanostructure formation in alkali-metal doped fullerene layers. A number of computational methods are used to describe structural transformation in the fullerene layer. They include tight-binding molecular dynamics, empirical molecular dynamics, Monte-Carlo calculations as well as other methods. The doped fullerene layers show the highest superconducting critical temperature among organic superconductors. A new electrochemical method of synthesis of potassium and rubidium fullerides has been recently developed by Professor Dunsch and coworkers in the department of electrochemistry and conductive polymers at IFW Dresden. The process of electrochemical doping is accompanied by several side effects, and one of them is nanostructure formation at the surface of the fullerene layer. In the present work an explanation is given for the nanostructure formation observed recently by scanning tunnel microscopy. The corresponding model is based on the concept of spontaneous phase separation that has been realized by kinetic Monte Carlo calculations. These calculations predict instability of initially homogeneous alkali-doped fullerene layers. Due to the significant gap in the Madelung energy formation of an alkali-poor and an alkali-reach phase is expected. The results of the Monte Carlo simulations point out that the particle size of the corresponding phases remains in the nanometer range. Interpretation of experimental data for metal deposition on fullerene substrates can be easily given in the framework of the phase separation concept as well. Metal clusters of the size order 50 to 100 nm emerge in course of electrochemical copper deposition on alkali-doped fullerene layers. The electrically conductive paths through the insulating fullerene layer are probably responsible for the inhomogeneous copper deposition under electrochemical conditions. A novel computer program has been developed in course of this work, which is designed as a distributed application. It can be used for diverse conventional and kinetic Monte Carlo calculations. / Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Arbeiten, die das Ziel haben, die Nanostrukturbildung in dotierten Fullerenschichten zu verstehen. Diverse Rechenmethoden wurden verwendet, um die strukturellen Umwandlungen in der Fullerenschicht zu beschreiben. Die Tight-Binding-Molekulardynamik, die empirische Molekulardynamik und Monte-Carlo-Berechnungen sowie andere Methoden sind eingeschlossen. Die dotierten Fullerenschichten zeigen die höchste supraleitende kritische Temperatur unter den organischen Supraleitern. Eine neue elektrochemische Methode der Synthese von Kalium- und Rubidium-Fulleriden wurde vor kurzem von Professor Dunsch und Mitarbeitern in der Abteilung Elektrochemie und leitfähigen Polymere am IFW Dresden entwickelt. Der Prozess der elektrochemischen Dotierung wird von mehreren Nebenprozessen begleitet, und einer davon ist die Nanostrukturbildung an der Oberfäche der Fullerenschicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine Erklärung für die Herausbildung der Nanostrukturen, die mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurden, gegeben. Das entsprechende Modell basiert auf dem Konzept der spontanen Phasenentmischung und wird durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen realisiert. Diese Simulationen sagen Instabilität der zunächst homogenen Alkali-dotierten Fullerenschichten voraus. Wegen des wesentlichen Unterschieds in der Madelungenergie ist die Herausbildung einer Alkalimetall-armen und einer Alkalimetall-reichen Phase zu erwarten. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen weisen darauf hin, dass die Teilchengröße der entsprechenden Phasen im Nanometer-Bereich bleibt. Im Rahmen des Phasenentmischungskonzepts können auch experimentelle Daten zur Metallabscheidung auf Fullerensubstraten problemlos interpretiert werden. Bei elektrochemischer Kupferabscheidung auf Alkali-dotierten Fullerenschichten entstehen Metallcluster der Größenordnung von 50 bis 100 nm. Die elektrisch leitfähige Pfade, die in einer isolierenden Matrix auftreten, sind wahrscheinlich für die ungleichmäßige Kupferabscheidung unter elektrochemischen Bedingungen verantwortlich. Ein neuartiges Computerprogramm wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, das als eine verteilte Anwendung entworfen ist. Damit können diverse konventionelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden.

Ziel der Arbeit ist die theoretische Analyse von Kohlenstoff-Clustern der Größe 100 - 500 Atome. Die experimentellen Beobachtungen sind bei dieser geringen Anzahl der Atome schwierig. Anderseits sind Kenntnisse über solche Cluster sehr wichtig, z.B. für die Keimbildung von Diamant auf Substraten, oder für die Kohlenstoff-Nanotechnologie (Fullerene, Nanotubes), oder für strukturelle Defekte in Kohlenstoff-Systemen. Es wurden gekrümmte Grenzflächen im Diamant simuliert. Zuerst mit einem empirischen Potential. Es wurde danach eine Methode entwickelt, bei der die schwach gestörten Gebiete einem empirischen Potential gehorchen, und die stark gestörten Gebiete, wo eine genaue Berechnung erforderlich ist, durch eine quantenmechanische Näherung beschrieben wurden. Somit kann man mit guter Genauigkeit große Systeme, bestehend aus einigen 10 (hoch)4 Atomen, simulieren, bei denen nur lokal quantenmechanische Methoden erforderlich sind. Mit diesem Hybrid-Code wurden weiterhin Diamantkeime auf Silizium gerechnet. Es wurden Aussagen bezüglich der Stabilität des Diamants auf dem Siliziumsubstrat, der kritischen Keimgröße, der Änderungen, die der Keim erfährt, gemacht. Ein anderes Gebiet ist die molekulardynamische Simulation bezüglich der Stabilität und des Transformationsverhaltens von Kohlenstoff-Nanoteilchen. Es wurden als »Rohstoffe» sowohl Diamant- und Graphitkristalle sphärischer, ellipsoidischer oder quadratischer Form benutzt, als auch amorpher Kohlenstoff. Es wurde demonstriert, daß sich Diamant unter höherer Temperatur und Bestrahlung in Kohlenstoffzwiebeln transformiert. Es wurde der innere Kern, bestehend aus zwei Schalen, der Kohlenstoffzwiebel simuliert. Es wurde, nach meinem Wissen, zum ersten Mal gezeigt, daß zwischen den Schalen der Kohlenstoffzwiebel Quer-Verbindungen (cross-links) existieren. Diese waren von den Experimentatoren vermutet worden. Sie bilden die Initiatoren der Diamantkeime der Kohlenstoffzwiebel bei ihrer ohne äußeren Druck möglichen Transformation in Diamant. Die Zentren der Kohlenstoffzwiebeln befinden sich bereits in der Entstehung der Zwiebel unter einem Selbstdruck. Bei den größeren Kohlenstoffzwiebeln beträgt der experimentell bestimmte Abstand zwischen den Schalen von außen nach innen von 3.34 Å bis 2.2 Å. Anlagen: nano1.mpg (91,8 MB); nano2.mpg (131 MB) Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB / The scope of this work is the analysis of carbon clusters of about 100 - 500 atoms. The experimental studies are at such small clusters heavy. Knowledges about thus clusters are very important, for example in the field of the nucleation of diamond on substrates, or for the carbon nano-technology (fullerene, nanotubes), or for local defects in carbon systems. There were simulated curved interfaces in diamond. Firstly with an empirical potential. Than I developed a method, in wich the defects and the structure around them are treated by a quantum mechanical algorithm and the rest with a near to ideal structure with an empirical potential. So, it is possible an accurate calculation of great systems of about 10 (high)4 atoms on wich only locally quantum mechanical methods are necessary. With this hybrid-code diamond nuclei on silicon substrate were simulated. The stability of the diamond nuclei on the silicon substrate, the critical radius of the nuclei and the changes of the nuclei during his transformation was investigated. Another field of investigations is the molecular dynamics simulation of free carbon clusters. The initial structures had spherical, ellipsoidical or square form and consists of diamond and graphite or a free form in the case of amorphous carbon. It was demonstrated that diamond transforms at higher temperatures and under irradiation in carbon onions. The genesis of the nucleus of a carbon onion with two shells was here for the first time simulated. The existence of the cross-links between the shells of a carbon onion was demonstrated. These existence was expected from the experimentators. The cross-links are the initiators of the transformation of carbon onions to diamond. The center of carbon onions is under self-pressure, because the distance between the outer shells is about 3.34 Å and between the inner shells about 2.2 Å. Appendix: nano1.mpg (91,8 MB); nano2.mpg (131 MB) Usage: Referat Informationsvermittlung/ SLUB