Surface-enhanced Raman scattering (SERS) microscopy is a novel method of optical imaging for the localization and quantification of target molecules in cells and tissue specimens. The major advantages of SERS over fluorescence are quantification and spectral multiplexing due to the small line width of vibrational Raman bands. The position of the plasmon band of both hollow gold/silver nanoshells and silica-encapsulated gold nanoclusters can be tuned for maximum SERS enhancement upon red laser excitation, which is optimal for minimizing the disturbing autofluorescence of tissue. In this work, silica-encapsulated and non-encapsulated SERS particles were used for the localization of target proteins in prostate tissue specimens. Two different biofunctionalization methods were established for each type of SERS particles. The cross-linking method based on s-NHS/EDC chemistry was modified for covalently conjugating proteins to hollow gold/silver nanoshells and gold nanostars in order to minimize the aggregation of SERS nanoparticles during and after cross-linking. As an alternative to covalent conjugation chemistry, the noncovalent binding of antibodies to the SERS particles via an adapter protein (protein A/G) was established. The influence of several factors that determine the quality of results obtained by SERS imaging, such as the number of immuno-SERS conjugates, incubation time, antigen retrieval and blocking buffer, were investigated. Rapid SERS microscopy with 30 msec acquisition time per pixel was enabled by using silica-encapsulated gold nanoclusters for the localization of p63 proteins on prostate tissue specimens from healthy donors. Two-color SERS experiments for the parallel localization of PSA and p63 were performed with silica-encapsulated and non-encapsulated nanoshells. The quality of the results depends less on the nature of the surface chemistry of the nanoparticles (with or without silica encapsulation), but more on the blocking buffer and the antigen retrieval method. Silica-encapsulated gold nanoclusters were also used for the simultaneous quantification of three cytokines (IL1, IL8 and TNF- α) in a SERS-based sandwich immunoassay with a detection limit of ca. 0.3 pM. Keywords: Raman, SERS microscopy, biocompatibility of nanoparticles, cross-linking, antigen unmasking methods, antigen detection, immunohistochemistry, immunoassay.

Das epitaktische Wachstum von III-V Verbundhalbleitern aber auch von Germaniumpufferschichten auf Germaniumsubstraten bildet bspw. das Fundament zur Herstellung von Triple bzw. Multi Junction Solarzellen. Dies erfolgt mittels etablierter Verfahren, wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die Germaniumsubstrate liegen üblicherweise in Form von Wafern einer Dicke von mehr als 150 µm vor. Um die Solarzellen bspw. entsprechend ihrer Anwendungsgebiete im Weltraum oder der Mikroelektronik zu optimieren, bedarf es einer signifikanten Schichtdickenreduzierung. Standardprozesse, die dies gewährleisten beinhalten chemische, wie auch mechanische Arbeitsschritte, die sich überaus nachteilig auf eine Wiederverwendung der abgetragenen Germaniumschicht auswirken. Eine Möglichkeit das Germaniumsubstrat auf eine Zieldicke von einigen Mikrometern zu minimieren, sowie die Verwendung des restlichen Germaniumsubstrats zu gewährleisten basiert auf der Herstellung eines porösen Germaniumschichtstapels, sowie einem anschließenden Hochtemperaturprozess. Dieses Verfahren wird als Layer Transfer Prozesses (LTP) bzw. Lift-off bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird die bipolare elektrochemische Porosifikation p-dotierter Germaniumsubstrate in wässriger Flusssäure, sowie das Tempern mesoporöser Schichtstapel unter Wasserstoffatmosphäre untersucht. Dabei sollte allgemein ein tieferes Verständnis des Ätzvorgangs, sowie der resultierenden porösen Schichten in Abhängigkeit der Ätzparameter erfolgen. Diesbezüglich wurden zunächst Ätzexperimente unter Verwendung konstanter Parameter, sogenannte einstufige Ätzexperimente, durchgeführt. Die Ätzstrome lagen für alle Experimente bei (0.25 – 7) mA/cm2 unter Verwendung der Pulsdauern von (0.25 – 2) s und Gesamtprozessdauern von bis zu 230 Minuten. Es hat sich gezeigt, dass unter Verwendung konstanter Parameter die Herstellung eines porösen Schichtstapels im Sinne eines Lift-off Prozesses ausgeschlossen ist. Focussed Ion Beam Milling Experimente an ausgewählten porösen Schichten, basierend auf einstufigen Ätzexperimenten, konnten allerdings die Porositätsverläufe in Abhängigkeiten der porösen Schichtdicke offenbaren. Auf diese Weise konnten die verästelten (Pinetree & Fishbone), sowie schwammartigen (Sponge) porösen Strukturen aufgrund von Porositätswerten zwischen 0% - 50% als potenzielle Epitaxievorlagen nach dem Tempern identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bedingung zur Durchführung erfolgreicher Focussed Ion Beam Milling Experimente in besonderem Maße von der Probendicke, sowie der Beschleunigungsspannung der Galliumkationen abhängt. Auf diese Weise generierte „Stapel“ an REM-Bildern wurden anschließend zur 3D-Rekonstruktion der verästelten Struktur herangezogen. Des Weiteren konnte mit Hilfe der Polystyrol-Infiltration ausgewählter poröser Schichten, deren anschließender Kalteinbettung in Kunststoff, einem Schleifvorgang, sowie anschließender Auflösung des Kunstoffs in Toluol, eine weitere Charakterisierungsmethode etabliert werden. Diese erlaubt es Einflüsse auf die poröse Schicht, bspw. Brechartefakte oder unebene Bruchstellen, zu vernachlässigen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der überaus kürzeren Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der Porositätsverläufe in Abhängigkeit der porösen Schichtdicke im Vergleich zum Focussed Ion Beam Milling. Weiterhin wurden basierend auf den Erkenntnissen der einstufigen Ätzexperimente zwei- und mehrstufige Ätzexperimente durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die poröse Schichtform und Porosität nach dem ersten Ätzprozess ausschlaggebend für das Resultat nach dem bzw. den Anschlussprozess(en) ist. So tendieren hochporöse schwammartige Strukturen zu einer Steigerung der Porosität, sowie einer Transformation zu einer dendritischen Form. Überwiegt zusätzlich die Ätzpulsdauer die Passivierpulsdauer kommt es beinahe bei jeglicher porösen Ausgangsschicht zu einer Ablösung der porösen Gesamtschicht nach dem Anschlussprozess. Eine Transformation der Ausgangsschicht erfolgte nicht für das Vorliegen einer niederporösen verästelten Struktur, sowie einer kürzeren Ätzpulsdauer als der Passivierpulsdauer für alle anschließenden Ätzprozesse. Zusätzlich konnte die Verwendung eines Passivierprozesses dazu beitragen, poröse Schichten sukzessive herzustellen ohne eine signifikante Veränderung der bereits vorliegenden Schichten herbeizuführen. In diesem Sinne gelang eine gezielte Steigerung der Porosität im Sinne des Lift-off Prozesses. Die Wirkungsweise der Anschlussprozesse konnte auf das Vorliegen verschieden ausgedehnter und an Ladungsträger verarmter Zonen währen des Ätz- bzw. Passivierpulses in Kombination mit der Hydroxid-Passivierung der Germaniumoberflächenatome zurückgeführt werden. Sodann erfolgte das Tempern von drei verschiedenen porösen Schichtstapeln bestehend aus verästelten und schwammartigen Strukturen bei Temperaturen von 700 °C & 800 °C für 30 Minuten unter Wasserstoffatmosphäre. Es hat sich gezeigt, dass niederporöse verästelte Strukturen als Diffusionsbarriere wirken und zugleich beim Vorhanden hochporöser schwammartiger Strukturen eine Diffusion lateral zur Waferoberfläche begünstigen kann. Rasterkraftmikroskopuntersuchungen konnten weiterhin bestätigen, dass die quadratische Rauigkeit der Oberfläche bei einer Annealingtemperatur von 800 °C und insbesondere beim Vorliegen niederporöser verästelter Strukturen in unmittelbarer Nähe der Waferoberfläche sinkt. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis für die Herstellung verschiedener poröser Germaniumschichten. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Annealingexperimenten können diese gezielt zur Herstellung eines Schichtstapels im Sinne des Lift-off Prozesses verwendet werden. Erste Epitaxieexperimente von InGaAs und InGaP zeigten anhand der ermittelten Threading Dislocation Densities (TDD) bereits einen vielversprechenden Trend auf.

Das Enzym Tryptophan Synthase ist ein ausgezeichnetes Beispiel einer molekularen Fabrik auf der Nanoskala mit zwei katalytischen Zentren. Der katalytische Zyklus des Moleküls beruht zudem auf zahlreichen allosterischen Wechselwirkungen sowie der Übertragung des Intermediats Indol durch einen intramolekularen Tunnel. In dieser Arbeit wird das erste kinetische Modell eines einzelnen Tryptophan Synthase Moleküls konstruiert und analysiert. Simulationen zeigen starke Korrelationen zwischen den Zuständen der Katalysezentren sowie die Ausbildung von Synchronisation. Mit stochastischer Thermodynamik wird die experimentell unzugängliche Reaktionskonstante für die Rückübertragung des Indols aus Messdaten rekonstuiert. Methoden, die den Informationsaustausch in bipartiten Markovnetzwerken charakterisieren, werden auf beliebige Markovnetzwerke verallgemeinert und auf das Modell angewendet. Der abschließende Teil befasst sich mit chemischen Reaktionsnetzwerken von Metaboliten und Enzymen. Es werden algebraische Modelle (Halbgruppen) konstruiert, welche aufeinanderfolgende und simultane katalytische Funktionen von Enzymen und von Unternetzwerken erfassen. Diese Funktionen werden genutzt, um eine natürliche Dynamikum sowie hinreichende und notwendige Bedingungen für seine Selbsterhaltung zu formulieren. Anschließend werden die algebraischen Modelle dazu genutzt, um eine Korrespondenz zwischen Halbgruppenkongruenzen und Skalenübergängen auf den Reaktionsnetzwerken herzustellen. Insbesondere wird eine Art von Kongruenzen erörtert, welche dem Ausspuren der globalen Struktur des Netzwerkes unter vollständiger Beibehaltung seiner lokalen Komponenten entspicht. Während klassische Techniken eine bestimmte lokale Komponente fixieren und sämtliche Informationen über ihre Umgebung ausspuren, sind bei dem algebraischen Verfahren alle lokalen Komponenten zugleich sichtbar und eine Verknüpfung von Funktionen aus verschiedenen Komponenten ist problemlos möglich. / The channeling enzyme tryptophan synthase provides a paradigmatic example of a chemical nanomachine with two distinct catalytic subunits. It catalyzes the biosynthesis of tryptophan, whereby the catalytic activity in a subunit is enhanced or inhibited depending on the state of the other subunit, gates control the accessibility of the reactive sites and the intermediate product indole is directly channeled within the protein. The first single-molecule kinetic model of the enzyme is constructed. Simulations reveal strong correlations in the states of the active centers and the emergent synchronization. Thermodynamic data is used to calculate the rate constant for the reverse indole channeling. Using the fully reversible single-molecule model, the stochastic thermodynamics of the enzyme is closely examined. The current methods describing information exchange in bipartite systems are extended to arbitrary Markov networks and applied to the kinetic model. They allow the characterization of the information exchange between the subunits resulting from allosteric cross-regulations and channeling. The final part of this work is focused on chemical reaction networks of metabolites and enzymes. Algebraic semigroup models are constructed based on a formalism that emphasizes the catalytic function of reactants within the network. A correspondence between coarse-graining procedures and semigroup congruences respecting the functional structure is established. A family of congruences that leads to a rather unusual coarse-graining is analyzed: The network is covered with local patches in a way that the local information on the network is fully retained, but the environment of each patch is not resolved. Whereas classical coarse-graining procedures would fix a particular patch and delete information about the environment, the algebraic approach keeps the structure of all local patches and allows the interaction of functions within distinct patches.

Anhand von theoretischen Untersuchungen wird eine umfassende Beschreibung von kleinen Metalloxidclustern gegeben. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich um Aluminium- und Eisenoxid-Ionen sowie entsprechende Oxid-Cluster, die beide Metalle enthalten. Neben der Bestimmung der geometrischen Struktur der Cluster werden auch die allgemeinen elektronischen Eigenschaften der eisenhaltigen Verbindungen untersucht. Alle Vorhersagen werden durch Vergleich mit verfügbaren experimentellen Ergebnissen -- hauptsächlich aus der Infrarot-Photodissoziations- und der Photoelektronenspektroskopie -- überprüft und bewertet. Soweit möglich werden die Bewegungen von Atomen oder kleinen Gruppen innerhalb der Cluster einzelnen experimentellen Signalen zugeordnet. Besondere Aufmerksamkeit wird dem Eisendioxidmolekül und seinem Anion gewidmet. Es wird mit spezialisierten Wellenfunktionsmethoden untersucht, mit denen ab initio Franck-Condon-Simulationen einschließlich nicht-adiabatischer und Spin-Orbit-Kopplungen für die Photoionisation des Anions erstellt werden. Sie liefern Erklärungen für die komplizierte Schwingungsstruktur des experimentellen hochauflösenden Photoelektronenspektrums. / By means of theoretical investigations, a comprehensive description of small metal oxide clusters is given. The studied systems are aluminum and iron oxide ions as well as respective bi-metallic oxide clusters. Besides the determination of the geometrical structure of the clusters, the general electronic properties of the iron-containing compounds are investigated. All predictions are checked and assessed by comparison with available experimental results, mainly infrared photodissociation and photoelectron spectroscopy measurements. As far as possible, motions of atoms or small groups within the clusters are assigned to distinct experimental vibrational features. Particular attention is paid to the iron dioxide molecule and its anion. It is studied with sophisticated wave function methods based on which ab initio Franck-Condon simulations for the photodetachment from the anion, including non-adiabatic and spin-orbit couplings, are generated. They provide explanations for the complicated vibrational structure of the experimental high-resolution photoelectron spectrum.

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von neuartigen hohlen MoSx-Nanomaterialien mit kontrollierbarer Größe und Form durch die kolloidale Template Methode. Ihre möglichen Anwendungen in wässrigen Energiespeichersystemen, einschließlich Superkondensatoren und Li-Ionen-Batterien (LIBs), wurden untersucht. Im ersten Teil wurde eine neue Nanostruktur aus hohlen Kohlenstoff-MoS2-Kohlenstoff-nanoplättchen erfolgreich durch eine L-Cystein unterstützte hydrothermale Methode unter Verwendung von Gibbsit als Templat und Polydopamin (PDA) als Kohlenstoffvorläufer synthetisiert. Nach dem Kalzinieren und Ätzen des Gibbsit Templates wurden gleichförmige Hohlplättchen erhalten, die aus einer sandwichartigen Anordnung von teilweise graphitischem Kohlenstoff und zweidimensional geschichteten MoS2 Flocken bestehen. Die Plättchen haben eine ausgezeichnete Dispergierbarkeit und Stabilität in Wasser sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit aufgrund des durch die Kalzinierung von Polydopaminbeschichtungen erzeugten Kohlenstoffs gezeigt. Das Material wird dann in einem symmetrischen Superkondensator mit 1 M Li2SO4 als Elektrolyt aufgebracht, der eine spezifische Kapazität von 248 F/g (0.12 F/cm2) bei einer konstanten Stromdichte von 0.1 A/g und eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität über 3000 Zyklen aufweist, was darauf hindeutet, dass hohle Kohlenstoff-MoS2-Kohlenstoffnanoplättchen vielversprechende Materialien als Kandidaten für Superkondensatoren sind. Im zweiten Teil wurde 21 molare LiTFSI, das sogenannte "Wasser-in-Salz" (WIS) Elektrolyt, in Superkondensatoren mit hohlen Kohlenstoffnanoplättchen als Elektrodenmaterial untersucht. Im Vergleich zu dem im ersten Teil verwendeten 1 molaren Li2SO4-Elektrolyten wurden bei dem vorliegenden WIS Elektrolyt signifikante Verbesserungen in einem breiteren und stabilen Potentialfenster festgestellt, das durch die geringere Leitfähigkeit mit dem Gegenstück leicht beeinflusst wird. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde ausgiebig eingesetzt, um einen Einblick in die Reaktionsmechanismen der WIS-Superkondensatoren zu erhalten. Zusätzlich wurde auch der Einfluss der Temperatur auf die elektrochemische Leistung im Temperaturbereich zwischen 15 und 55 °C untersucht, was eine hervorragende spezifische Kapazität von 128 F/g bei dem optimierten Zustand von 55 °C ergab. Die EIS-Messungen deckten die Abnahme der angepassten Widerstände mit der Temperaturerhöhung und umgekehrt auf und beleuchteten direkt die Beziehung zwischen elektrochemischer Leistung und Arbeitstemperatur von Superkondensatoren für zuverlässige praktische Anwendungen. Im dritten Teil wurde MoS3, ein amorphes, kettenförmig strukturiertes Übergangsmetall Trichalcogenid, als vielversprechende Anode in "Wasser-in-Salz" Li-Ionen-Batterien (WIS-LIBs) nachgewiesen. Die in diesem Teil verwendeten hohlen MoS3-Nanosphären wurden mittels einer skalierbaren Säurefällungsmethode bei Raumtemperatur synthetisiert, wobei sphärische Polyelektrolytbürsten (SPB) als Schablonen verwendet wurden. Beim Einsatz in WIS-LIBs mit LiMn2O4 als Kathodenmaterial erreicht das präparierte MoS3 eine hohe spezifische Kapazität von 127 mAh/g bei einer Stromdichte von 0.1 A/g und eine gute Stabilität über 1000 Zyklen sowohl in Knopf- als auch in Pouch-Zellen. Der Arbeitsmechanismus von MoS3 in WIS-LIBs wurde auch durch Ex-situ-Röntgenbeugungsmessungen (XRD) untersucht. Während des Betriebs wird MoS3 während der anfänglichen Li-Ionen-Aufnahme irreversibel in Li2MoO4 umgewandelt und dann allmählich in eine stabilere und reversible LixMoOy-Phase (2≤y≤4)) entlang der Zyklen umgewandelt. Amorphes Li-defizientes Lix-mMoOy/MoOz wird bei der Delithiierung gebildet. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen einfache Ansätze zur Synthese hohler MoSx-Nanomaterialien mit kontrollierbarer Morphologie unter Verwendung einer Template-basierten Methode, die auf die vielversprechende Leistung von MoSx für wässrige Energiespeicheranwendungen zurückzuführen sind. Die elektrochemischen Untersuchungen von hohlen MoSx-Nanomaterialien in wässrigen Elektrolyten geben Einblick in die Reaktionsmechanismen von wässrigen Energiespeichersystemen und treiben die Entwicklung von Metallsulfiden für wässrige Energiespeicheranwendungen voran. / The present thesis focuses on the synthesis of novel hollow MoSx nanomaterials with controllable size and shape through the colloidal template method. Their possible applications in aqueous energy storage systems, including supercapacitors and Li-ion batteries (LIBs), have been studied. In the first part, hollow carbon-MoS2-carbon nanoplates have been successfully synthesized through an L-cysteine-assisted hydrothermal method by using gibbsite as the template and polydopamine (PDA) as the carbon precursor. After calcination and etching of the gibbsite template, uniform hollow platelets, which are made of a sandwich-like assembly of partial graphitic carbon and two-dimensional layered MoS2 flakes, have been obtained. The platelets have shown excellent dispersibility and stability in water, and good electrical conductivity due to carbon coating generated by the calcination of polydopamine. The material is then applied in a symmetric supercapacitor using 1 M Li2SO4 as the electrolyte, which exhibits a specific capacitance of 248 F/g (0.12 F/cm2) at a constant current density of 0.1 A/g and an excellent electrochemical stability over 3000 cycles, suggesting that hollow carbon-MoS2-carbon nanoplates are promising candidate materials for supercapacitors. In the second part, 21 m LiTFSI, so-called “water-in-salt” (WIS) electrolyte, has been studied in supercapacitors with hollow carbon nanoplates as electrode materials. In comparison with 1 M Li2SO4 electrolyte used in the first part, significant improvements on a broader and stable potential window have been revealed in the present WISE, which is slightly influenced by the lower conductivity with the counterpart. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) has been extensively employed to provide an insight look on the formation of solid electrolyte interphase in the WIS-supercapacitors. Additionally, the effect of temperature on the electrochemical performance has also been investigated in the temperature range between 15 and 55 °C, yielding eminent specific capacitance of 128 F/g at the optimized condition of 55 °C. The EIS measurements disclosed the decrease of fitted resistances with the increase of temperature and vise versa, directly illuminating the relationship between electrochemical output and working temperature of supercapacitors for reliable practical applications. In the third part, MoS3, an amorphous chain-like structured transitional metal trichalcogenide, has been demonstrated as a promising anode in the “water-in-salt” Li-ion batteries (WIS-LIBs). Hollow MoS3 nanospheres used in this part have been synthesized via a scalable room-temperature acid precipitation method using spherical polyelectrolyte brushes (SPB) as the template. When applied in WIS-LIBs with LiMn2O4 as the cathode material, the prepared MoS3 achieves a high specific capacity of 127 mAh/g at the current density of 0.1 A/g and good stability over 1000 cycles in both coin cells and pouch cells. The working mechanism of MoS3 in WIS-LIBs has also been studied by ex-situ X-ray diffraction (XRD) measurements. During operation, MoS3 undergoes irreversible conversion to Li2MoO4 during the initial Li ion uptake, and is then gradually converted to a more stable and reversible LixMoOy (2≤y≤4)) phase along cycling. Amorphous Li-deficient Lix-mMoOy/MoOz is formed upon delithiation. The results in the present thesis demonstrate facile approaches for synthesizing hollow MoSx nanomaterials with controllable morphologies using a template-based method, which attribute to the promising performance of MoSx for aqueous energy storage applications. The electrochemical studies of hollow MoSx nanomaterials in aqueous electrolytes provide insight into the reaction mechanisms of aqueous energy storage systems and push forward the development of metal sulfides for aqueous energy storage applications.

Diarylethene sind molekulare Schalter, welche sich unter Einwirkung von Licht zwischen einem offenen und einem geschlossenen Isomer umwandeln. Die Effizienz dieser beiden Photoreaktionen ist von verschiedenen Parametern abhängig, welche bisher nur unzureichend verstanden sind. Ein entscheidender Faktor für die Hinreaktion ist das Verhältnis zweier Konformere, von denen jedoch nur eines photochemisch aktiv ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Klasse von Diarylethenen beschrieben, in welcher die aktive Konformation durch kovalente Verbrückungen unterschiedlicher Länge stabilisiert wird. Gleichzeitigeröffnet sich ein zusätzlicher Reaktionspfad in Form einer Doppelbindungsisomerisierung. Es stellte sich heraus, dass bei geeigneter Verbrückungslänge das zyklisierte Isomer mit ungewöhnlich hoher Effizienz gebildet wird, während die Effizienz der Ringöffnung nicht beeinflusst wird. Der Mechanismus und die Dynamik der Photoreaktion wurden anhand ausgewählter Vertreter durch Ultrakurzzeitspektroskopie untersucht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Ringschluss auch durch elektrochemische Oxidation oder Reduktion erfolgen kann. Die vorgestellten Systeme agieren bei direkter photochemischer Anregung wie herkömmliche Diarylethene nur im Ringschluss/Ringöffnungsregime. Durch Tripletsensibilisierung kann jedoch eine selektive Z→E Isomerisierung erzielt werden, was diese Diarylethenklasse zu reversiblen 3-Zustandssystemen erweitert. In Erweiterung des Projektes wurde die Struktur des Diarylethens noch stärker fixiert. Nach vielseitigen Syntheseversuchen konnten zwei Vertreter dieser Klasse erhalten und photochemisch untersucht werden, wobei ein Umsatz zu etwa 60% zyklisiertem Isomer bei der Bestrahlung mit UV-Licht gefunden wurde. Zusammengefasst stellt die kovalente Verbrückung der Diarylethenstruktur eine erfolgreiche Strategie dar, um sowohl die Effizienz der Ringschlussreaktion zu steigern als auch photochrome Verbindungen mit drei Schaltzuständen zu kreieren. / Diarylethenes are molecular switches that interconvert reversibly between an open and a closed isomer by irradiation with light. The efficiency of both photochemical reactions depends on several parameters, which, so far, are only insufficiently understood. One important factor in the cyclization reaction is the presence of two conformations of the open isomer of which only one is photochemically active. In the current work, a new class of diarylethenes is presented, in which the active conformation is covalently stabilized by alkyl chains of different lengths. As the central double bond is not fixated, double bond isomerization emerges as an additional pathway in these annulated diarylethenes. In dependence of the chosen ring size both open isomers convert with increased efficiency to the closed isomer upon irradiation. The efficiency of the cycloreversion process remains unaffected. The mechanism and dynamic of the photoreaction were investigated for selected compounds using transient absorption spectroscopy. Furthermore, electrochemical studies revealed that both the E- and the Z-isomer cyclize rapidly upon anodic oxidation or cathodic reduction. In general, the photochemical reactivity of annulated diarylethenes parallels that of normal diarylethenes and takes place exclusively in the cyclization/cycloreversion regime if irradiated directly. However, it was demonstrated that a selective Z→E double bond isomerization is possible, thus implementing a 3-state photoswitchable system. In extension of the project, the structure of diarylethenes was further stiffened. Using diverse synthetic approaches, two members of this class could be obtained. Photochemical investigation showed a conversion to the closed isomer of 60% upon irradiation with UV-light. In brief, the covalent fixation of diarylethenes represents an attractive strategy to increase the efficiency of the photochemical cyclization and extent the scope of diarylethenes to 3-state photochromic systems.

In dieser Arbeit wird eine umfassende Untersuchung von Clustern vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss von Quellendruck, Temperatur und Agglomerationszustand auf die erzeugten Cluster liegt. Die neutralen Cluster werden durch Überschallstrahl-Expansion von Ar und CO2 in einem weniger untersuchten Bereich von Quellendrücken und -temperaturen erzeugt und anschließend durch Ultrahoch-Rayleigh-Streuungsmessungen charakterisiert. Die Analyse zeigt, dass das bekannte empirische Skalierungsgesetz möglicherweise nicht genau genug ist, wenn die Clustergrößen in realen Systemen einen breiteren Bereich abdecken. Ein wichtiger Schritt ist der Übergang von Ar als nahezu ideales Gas zu CO2 als reales System. Um zu beurteilen, ob die Werte der mittleren Clustergrößen aussagekräftig sind, wird in dieser Arbeit ein auf den experimentellen Ergebnissen basierendes Modell vorgeschlagen, das eine geeignete Position der Laser-Cluster-Wechselwirkungsregion im kollisionsfreien Bereich des Molekularstrahls bestimmt. Die geringe zeitliche Auflösung des mit dem Oszilloskop erfassten Signals führt zur Anwendung der Photonenzählung, die eine höhere Nachweisempfindlichkeit bietet. Im Falle von Ar-Clustern zeigt diese Methode die Übereinstimmung des Verhaltens mit den bekannten theoretischen Berechnungen. Die Analyse der relativen mittleren CO2-Clustergrößen zeigt dagegen, dass die theoretische Skalierung für Cluster, die sich aus Flüssigkeiten mit hoher Dichte bilden, nicht gut geeignet ist. Die relative mittlere Größe kleiner und besonders großer Cluster ermöglicht die Unterscheidung zwischen Clustern, die durch Expansion von der gasförmigen oder flüssigen Seite des kritischen Punktes erzeugt werden, und einem Zwischenbereich, in dem die Expansion die überkritischen gasförmigen und flüssigen Bereiche passiert. Bei Messungen in der Nähe der Widom-Linie zeigen zwei verschiedene gemessene und berechnete Skalierungsgesetze einen scharfen Übergang beim Überschreiten dieser Linie. / This thesis presents a comprehensive study of clusters with a focus on the influence of the source pressure, temperature, and agglomeration state on the generated clusters. The neutral clusters are generated by supersonic jet expansion of Ar and CO2 applying a less-studied range of source pressures and source temperatures and then characterized by ultra-high Rayleigh scattering measurements. The analysis indicates that the known empirical scaling law may lack sufficient accuracy when cluster sizes cover a broader range in real systems. An important step is moving from Ar as a near-ideal gas to CO2 as a real system. To evaluate whether the values of the mean cluster sizes are meaningful, in this thesis, a model based on the experimental results is proposed, which determines an appropriate position of the laser-cluster interaction region in the collisionless domain of the molecular beam. The low temporal resolution of the detected signal via oscilloscope leads to the application of photon counting that provides a higher detection sensitivity. In the case of Ar clusters, this method reveals the compliance of the behavior with the known theoretical calculations. The analysis of the relative mean CO2 cluster sizes, in contrast, indicate that the theoretical scaling does not suit well for clusters formed from the high-density fluids. The relative mean size of small and extra-large clusters enables the distinction of the clusters generated via expansion from the gas or the liquid side of the critical point and an intermediate regime where the expansion passes the supercritical gas-like and liquid-like regions. In measurements at conditions near the Widom line, two different measured and calculated scaling laws reveal a sharp transition on crossing it.

In dieser Dissertation wird eine umfassende Untersuchung von Perowskit-Tintenformulierungen für die Herstellung von hocheffizienten MAPbI3- und FAPbI3-Bauelementen durchgeführt. Darüber hinaus schlagen wir einen kombinatorischen Slot-Die-Beschichtungsansatz für das Screening und die Herstellung von Perowskit-Zusammensetzungen vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Slot-Die-Beschichtung eine vielversprechende Technik für die Hochskalierung von Metallhalogenid-Perowskit-Dünnschichten ist. / This dissertation gives a comprehensive investigation into perovskite ink formulations for the fabrication of highly efficient MAPbI3 and FAPbI3 devices. Additionally, we propose a combinatorial slot-die coating approach for screening and fabricating perovskite compositions. These results demonstrate that slot-die coating is a promising technique for the upscaling of metal-halide perovskite thin-films.

Ein fragment-basierter Ansatz zur Berechnung von vertikalen Anregungsenergien in periodischen Systemen wurde entwickelt. Das Ziel war eine wellenfunktions-basierte Hierarchie von lokalen post-Hartree-Fock Methoden, welche über das weitverbreitete Ein-Elektronen Bild der Bandlücke hinausgehen und eine Möglichkeit zur systematischen Verbesserung der Ergebnisse liefern. Darüber hinaus sollte durch die Verwendung von lokalen Orbitalen eine nahtlose Einbettung des Fragments ermöglicht und eine effektive Methode für die Untersuchung von Defekten in periodischen Systemen geschaffen werden. Als erster Schritt wird das fragment-basierte Configuration Interaction Singles (CIS) Model vorgestellt. Im Anschluss erfolgt der Wechsel zum fragment-basierten lokalen algebraic-diagrammatic construction Modells zweiter Ordnung (DF-LADC(2)). Beide Methoden wurden für ein neutrales Farbzentrum in Magnesiumoxid (MgO) getestet. Dabei wurden Fragmente mit bis zu 57 Atomen verwendet. Eine Konvergenz mit der Fragmentgröße, der Größe der Superzellen und des K-mesh konnte erreicht werden. Dennoch wurde eine erste Anregungsenergie von 5.9 eV erhalten, was 0.9 eV über dem veröffentlichten experimentellen Wert liegt. Mit hoher Wahrscheinlichkeit rührt die Abweichung vom Basissatzvollständigkeitsfehler her. ”Finite-Cluster”-Berechnungen bestätigen entsprechende Basissatzfehler. Interessanterweise stimmt die erste Anregungsenergie für ein Oberflächenfarbzentrum in MgO mit einigen experimentellen Werten überein. Allerdings decken die experimentellen Werte für diese Systeme einen weiten Bereich ab (1.15 - 4.2 eV). / An embedded-fragment approach for calculation of vertical excitation energies in periodic systems has been developed. The aim is a wave-function-based hierarchy of local post-Hartree-Fock models, which goes beyond the very common one-electron picture of the band gap and offers a way for systematic improvability of the results. The use of local occupied and virtual orbitals allows for a seamless embedding model for the fragment and becomes especially effective in studying defects in solids. As a first step in the hierarchy an embedded-fragment Configuration Interaction Singles (CIS) model is presented. The second step is an embedded-fragment local algebraic diagrammatic construction scheme of second order (DF-LADC(2)). Both methods are tested for an neutral color center in bulk and surface magnesium oxide (MgO). Different fragments with up to 57 atoms were studied. A convergence with fragment size, super-cell size and k-mesh has been achieved. However a first excitation energy of 5.9 eV is obtained for the bulk MgO, which is 0.9 eV above the reported experimental value. The deviation most likely originates from the basis set incompleteness error, which, according to finite cluster studies, can be sizable. Interestingly for a surface color center in MgO the observed first excitation energy of 4.1 eV agrees with some of the experimental values (4.2 eV). However for the surface color centers in MgO the scatter of the experimental results is very large (1.15 eV - 4.2 eV).

Laser sind seit ihrer Erfindung im Jahr 1960 essenziell für die Materialbearbeitung und bieten Präzision, Effizienz und Nachhaltigkeit. Während sie anfangs hauptsächlich für die Makrobearbeitung eingesetzt wurden, haben Fortschritte bei kurzwelligen und ultrakurz gepulsten Lasern die präzise Mikro- und Nanobearbeitung ermöglicht, was dem wachsenden Bedarf an umweltfreundlicher Fertigung entspricht. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei laserbasierte Techniken für die nachhaltige Elektrodenproduktion: Laser-induced forward transfer (LIFT) und Laserkohlenstoffisierung. Kapitel 1 führt diese Methoden ein. Kapitel 2 untersucht LIFT für den Polymertransfer, wobei die Oberflächenhaftung und Benetzungseigenschaften untersucht werden, um definierte Polymermikrostrukturen zu erzeugen. Die Studie bietet Einblicke in die Optimierung polymerbasierter Geräte und stellt die LIFT-unterstützte Synthese von Metalloxidmustern für Elektrodenstrukturen und Heteroübergänge vor. Kapitel 3 befasst sich mit der Laserkohlenstoffisierung unter Verwendung von sodium lignosulfonate (SLS), einem Nebenprodukt der Papierindustrie, als nachhaltigem Kohlenstoffvorläufer. Durch die Integration einer haftenden Polymerschicht werden robuste, laser patterned carbon (LP-C) in einem einzigen Schritt hergestellt. Diese LP-C-Elektroden, deren Eigenschaften anpassbar sind, zeigen eine hervorragende Leistung in Superkondensatoren und Dopaminsensoren und weisen eine hohe Kapazität, Energiedichte und Stabilität auf. Diese Arbeit hebt das Potenzial von SLS-basierten LP-C-Elektroden für nachhaltige Energiespeicherung und Biosensorik hervor und trägt zur Weiterentwicklung umweltfreundlicher elektrochemischer Systeme bei. / Lasers have been essential in materials processing since their invention in 1960, offering precision, efficiency, and sustainability. While initially used for macro processing, advances in short-wavelength and short-pulse lasers have enabled precise micro- and nano-scale processing, aligning with the growing demand for eco-friendly manufacturing. This thesis focuses on two laser-based techniques for sustainable electrode production: Laser Induced Forward Transfer (LIFT) and laser carbonization. Chapter 1 introduces these methods. Chapter 2 explores LIFT for polymer transfer, investigating surface adhesion and wetting properties to create defined polymer microstructures. The study provides insights into optimizing polymer-based devices and presents LIFT-assisted metal oxide synthesis for patterned electrode structures and heterojunctions. Chapter 3 examines laser carbonization using sodium lignosulfonate (SLS), a paper industry byproduct, as a sustainable carbon precursor. By integrating an adhesive polymer layer, robust laser-patterned carbon (LP-C) electrodes are fabricated in a single step. These LP-C electrodes, with tunable properties, show excellent performance in supercapacitors and dopamine biosensors, demonstrating high capacitance, energy density, and stability. This work highlights the potential of SLS-based LP-C electrodes for sustainable energy storage and biosensing applications, advancing eco-friendly electrochemical systems.