Time-resolved spectroscopic studies of energy transfer between molecules in solution form a basis for both, our understanding of fundamental natural processes like photosynthesis as well as directed synthetic approaches to optimize organic opto-electronic devices. Here, coherent two-dimensional (2D) spectroscopy opens up new possibilities, as it reveals the correlation between absorption and emission frequency and hence the full cause-and-effect chain. In this thesis two optical setups were developed and implemented, permitting the recording of electronic 2D spectra in the visible and in the hitherto unexplored ultraviolet spectral range. Both designs rely on the exclusive manipulation of beam pairs, which reduces the signal modulation to the difference between the transition frequency of the system and the laser frequency. Thus - as has been shown experimentally and theoretically - the timing precision as well as mechanical stability requirements are greatly reduced, from fractions of the oscillation period of the exciting light wave to fractions of the pulse duration. Two-dimensional spectroscopy and femtosecond transient absorption (TA) as well as different theoretical approaches and simulation models were then applied to coupled multichromophore systems of increasing complexity. Perylene bisimide-perylene monoimide dyads were investigated in cooperation with Prof. Dr. Frank Würthner and Prof. Dr. Bernd Engels at the University of Würzburg. In these simplest systems studied, global analysis of six different TA experiments unequivocally revealed an ultrafast interchromophoric energy transfer in the 100 fs range. Comparison between the obtained transfer rates and the predictions of Förster theory suggest a breakdown of this point-transition-dipole-based picture at the donor-acceptor distances realized in our compounds. Furthermore, a model including conformational changes and an interchromophoric charge transfer has been derived to consistently describe the observed pico- to nanosecond dynamics and fluorescence quantum yields. A second collaboration with Prof. Dr. Gregory Scholes (University of Toronto, Canada) and Prof. Dr. Paul Burn (University of Queensland, Australia) addressed the photophysics of a series of uorene-carbazole dendrimers. Here, a combination of 2D-UV spectroscopy and femtosecond ansiotropy decay experiments revealed the initial delocalization of the excited state wave function that saturates with the second generation. In room temperature solution, disorder-induced localization takes place on the time scales comparable to our instrument response, i.e. 100 fs, followed by energy transfer via incoherent hopping processes. Lastly, in tubular zinc chlorin aggregates, semi-synthetic analogues of natural lightharvesting antennae that had again been synthesized in the group of Prof. Dr. Frank Würthner, the interchromophoric coupling is so strong that coherently coupled domains prevail even at room temperature. From an analysis of intensity-dependent TA measurements the dimensions of these domains, the exciton delocalization length, could be determined to span 5-20 monomers. In addition, 2D spectra uncovered efficient energy transfer between neighboring domains, i.e. ultrafast exciton diffusion. / Zeitaufgelöste spektroskopische Untersuchungen zu Energietransferprozessen zwischen Molekülen in Lösung bilden die Grundlage nicht nur für unser Verständnis elementarer natürlicher Vorgänge wie der Photosynthese, sondern auch für gerichtete Synthesen zur Optimierung organischer opto-elektronischer Bauteile. Die kohärente zweidimensionale (2D) Spektroskopie eröffnet hier neue Möglichkeiten, da sie - durch Aufdeckung der Korrelation zwischen Absorptions- und Emissionsfrequenz - die konventionelle transiente Absorption (TA) um die Offenbarung der Ursache erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei optische Aufbauten entworfen und umgesetzt, die die Aufnahme von elektronischen 2D Spektren im sichtbaren und im bis dahin unerschlossenen ultravioletten Spektralbereich ermöglichen. Beide Designs beruhen auf dem Prinzip der ausschließlich paarweisen Strahlführung, wodurch die Modulation des Signals auf die Differenz zwischen Übergangsfrequenz des Systems und Laserfrequenz reduziert wird. Damit verringern sich - wie theoretisch und experimentell gezeigt - die Anforderungen sowohl an die mechanische Stabilität der Laborumgebung als auch an die Genauigkeit der verwendeten Verzögerungsbühnen erheblich, von Bruchteilen der Oszillationsperiode des anregenden Lichts auf Bruchteile der Laserpulsdauer. Sowohl die 2D Spektroskopie als auch die transiente Absorption sowie unterschiedliche theoretische Ansätze und Simulationsmodelle wurden in den weiteren Teilen dieser Arbeit auf gekoppelte Multichromophor-Systeme unterschiedlicher Komplexität angewandt. Im einfachsten dieser Systeme, einem Perylen-basierten Heterodimer, einer Kooperation mit Prof. Dr. Frank Würthner und Prof. Dr. Bernd Engels an der Universität Würzburg, konnte durch globale Analyse von sechs verschiedenen TA-Messungen ein ultraschneller Energietransfer im 100 fs Bereich zweifelsfrei identifiziert werden. Ein Vergleich mit Vorhersagen aus der Förster-Theorie legt einen Zusammenbruch dieser auf punktförmigen Übergangsdipolen beruhenden Theorie bei den vorliegenden Interchromophor- Abständen nahe. Darüber hinaus wurde für die Piko- bis Nanosekunden-Zeitskalen ein Schema vorgestellt, das Konformationsänderungen sowie einen Ladungstransfer beinhaltet und das die beobachtete Dynamik wie auch die gemessenen Fluoreszenz-Quantenausbeuten konsistent beschreibt. In einer weiteren Kooperation wurden in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Gregory Scholes (University of Toronto, Kanada) Fluoren-Carbazol-Makromoleküle untersucht, die in der Gruppe von Prof. Dr. Paul Burn (University of Queensland, Australien) synthetisiert worden waren. In diesen sogenannten Dendrimeren konnte durch die Kombination von 2D Spektroskopie und Femtosekunden-Anisotropie-Zerfalls-Experimenten eine anfängliche Delokalisierung der Wellenfunktion des angeregten Zustands abgeleitet werden, die mit der zweiten Generation saturiert. Die Umgebungsunordnung in Raumtemperatur-Lösung führt hier zu einer ultraschnellen Lokalisierung innerhalb der Zeitauflösung des Experiments, gefolgt von inkohärenten Energietransfer-Prozessen. In tubularen Zink Chlorin Aggregaten schließlich, semisynthetischen Analoga zu den Lichtsammelantennen natürlicher Chlorosome, die ebenfalls von Prof. Dr. Frank Würthner's Gruppe bereitgestellt wurden, ist die Kopplung zwischen den einzelnen Molekülen so stark, dass kohärent gekoppelte Segmente selbst bei Raumtemperatur Bestand haben. Die Ausdehnung dieser kohärenten Domänen, die Exzitonen-Delokalisierungslänge, konnte aus der Intensitätsabhängigkeit des transienten Absorptionssignals auf 5-20 Monomere bestimmt werden. 2D Spektren zeigten dabei den effizienten Energietransfer zwischen benachbarten Domänen im Aggregat, also einen ultraschnellen Exzitonen-Diffusionsprozess.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die erfolgreiche Synthese einer Serie von bisTriarylamin (bisTAA) Verbindungen vorgestellt. Zum einen wurde das Substitutionmuster an der Benzol Brückeneinheit in Form einer meta- bzw. para-Ständigkeit der Redoxzentren (pX bzw. mX), und zum anderen die energetische Lage der Brückeneinheit durch zwei elektronen-schiebende oder ziehende Substituenten X (mit X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-Position variiert. Im Falle der meta-Serie wurden auch einige in 4,6-Position substituierte Verbinungen hergestellt (mX46). Die neutral Verbindungen wurden bezüglich ihrer elektrochemischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Durch Oxidation konnten die gemischt valenten (MV), kationischen bisTAA-Verbindungen erzeugt werden. Der thermisch induzierte Lochtransfer (HT) wurde durch temperatur-abhängige ESR-Spektroskopie untersucht. Während die HT-Rate k und HT-Barriere ΔG in mX unbeeinflusst von den Substituenten X sind, steigen gleichzeitig k und ΔG in der pX-Serie mit zunehmenden Elektonenschub von X an. Diese zunächst widersprüchliche Beobachtung konnte durch einen ansteigenden Einfluss von Lösungsmitteleffekten und dadurch resultierend, einer zusätzlichen effektiven Barriere erklärt werden. Der optisch induzierte Lochtransfer wurde mittels UV/Vis/NIR-Spektroskopie untersucht. Die pX-Serie zeigte eine Zuhname der elektronischen Kopplung V und dementsprechende eine Abnahme von ΔG, mit Anstieg des elektonenschiebenden Charakters von X. Für mX war eine spektroskopische Bestimmung dieser Parameter nicht möglich. Die mX46-Serie zeigte ein intermediäres Verhalten, wobei MV-Verbindungen mit stark elektronenschiebenden X eine ähnliche hohe Kopplungen wie pX aufwiesen, was mit Hilfe von DFT-Rechnungen bezüglich der Molekülorbitale erklärt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese einer Serie von Verbindungen mit Triarylamin (TAA) als Donor und Naphthalindiimid (NDI) als Akzeptor vorgestellt. Auch hier wurde zum einen das Substitutionmuster an der Benzol-Brückeneinheit in Form einer meta- bzw. para-Ständigkeit der Redoxzentren (pXNDI bzw. mXNDI) variieiet und die energetische Lage der durch X (mit X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-Position variiert. Außerdem wurde die in 4,6-Position substituierte Verbinungen mOMe46NDI hergestellt. Alle Verbindungen wurden bezüglich ihrer elektochemischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Die Elektronentransferprozesse der Ladungsseparierung (CS) und Ladungsrekombination (CR) dieser Verbindungen sollten mittels transienter Absorptionsspektroskopie (TA) in Toluol untersucht werden. Für die Nitroverbindungen p-/mNO2NDI war dies nicht möglich, da sich diese unter Bestrahung zersetzten. Die CR von pXNDI waren nicht im ns-Bereich detektierbar, weshalb sich auf die mXNDI-Serie (mit X = OMe–CN) konzentriert wurde. Die CS wurde mittels fs-TA untersucht. Nach optischer Anregung konnte die Bildung eines CS-Zustandes detektiert werden, dessen Bildungsgeschwindigkeit hin zu elektronen-ziehenden Substituenten X steigt. Die CR wurde mit ns-TA untersucht. Sie findet in der Marcus invertierten Region statt und zeichnet sich wird durch ein biexponentialles Abklingverhaten, was durch ein Singulet-Triplett Gleichgewicht im CS-Zustand zustande kommt, aus. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes ließ sich das Abklingverhalten entscheidend verändern und es konnte eine Singulett-Triplett Aufspaltung nachgewiesen werden. Dieser Befund konnte weiterhin durch Simulation der Abklingkurven bestätigt werden. In beiden Teilen dieser Arbeit konnte ein entscheidender Einfluss der Benzolbrücke auf die auftretenden Ladungstransferprozesse gezeigt werden. Für den HT in Grundzustand der MV bisTAA Verbindungen, sowie der ET im angeregten Zustand der Donor-Akzeptor-Verbindungen, wurden die höchsten ET-Raten für die para-Serien pX und pXNDI gefunden, während die meta-Serien mX und mXNDI deutlch kleine Transferraten aufwiesen. In beiden Studien zeigten die meta46-Verbindungen mX46 und mOMeNDI46 ein intermediäres Verhalten, zwischen denen der para- und meta-Verbindungen. / In the first part of this thesis, the synthesis of a series of bistriarylamine (bisTAA) compounds was presented. On the one hand, the substitution pattern of the TAA at the benzene bridging unit was varied from meta- to para-position (pX and mX), on the other hand, the energetic position of the bridging unit was tuned by use of two electron-donating or electron-accepting substituents X (with X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-position. In case of the meta-series, compounds with X in 4,6-position were synthesized (mX46). The photophysical and electrochemical properties of the neutral compounds were investigated. The cationic mixed valence (MV) bisTAA compounds could be generated by oxidation. Thermally induced hole transfer (HT) in the groud state was investigated by temperature depending ESR spectroscopy. While the HT rate k and HT barrier ΔG in mX are unaffected by the substituents X, k and ΔG in the pX series increase simultaneously with increasing electron-donating strength of X. This, at first contradictory observation can be explained by an increasingly important solvent dynamic effect and an additional, effective barrier. The optically induced HT was examined by UV/Vis/NIR spectroscopy. The pX-series revealed an increase of the electronic coupling V, and correspondingly a decrease of ΔG, with an increase of the electron donating character of X. For mX, a spectroscopic determination of these parameters was not possible. mX46 showed an intermediate behavior, MV compounds with strong electron-donating X, obtained coupling of similar magnitude as pX, which could be explained by means of DFT calculations, with regard to the molecular orbitals. In the second part of this work, the synthesis of a series of dyads with triarylamine (TAA) as a donor and naphthalene diimide (NDI) as an acceptor was presented. Again, the substitution pattern of the redox centers at the benzene bridging unit was varied in the form of a meta- or para-position (pXNDI or mXNDI) and the energetic position of the bridging unit was varied by X (with X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) attached in the 2,5-position. Additionally, compound mOMe46NDI with methoxy substitution in 4,6-position was synthesized. The photophysical and electrochemical properties of these compounds were investigated. The electron transfer (ET) processes of charge separation (CS) and charge recombination (CR) of these were investigated by means of transient absorption (TA) spectroscopy in toluene. This was not possible for the nitro-compounds p-/mNO2NDI, since they decomposed under irradiation. In addition to that, the CR of pXNDI was not detectable by ns-setup, which is why the focus was given to the mXNDI series (with X = OMe–CN).The CS was examined by fs-TA spectroscopy, where the formation of a CS state could be detected. The rise time of the CS states decreases with increasing electron-withdrawing substituents X. CR was examined with ns-TA spectroscopy and shows a biexponential decay behavior, which is caused by singlet-triplet equilibrium in the CS state. By applying an external magnetic field, the decay behavior was decisively changed and the singlet-triplet splitting could be determined. This finding could also be confirmed by simulating the decay curves. In both parts of this work, the decisive influence of the benzene bridging unit on the appearing ET processes became obvious. For the HT in the ground state of the MV compound, as well as for the ET in the exited states of the DA compounds, the highest transfer rates were found for the para-series pX and pXNDI, and much smaller rates for the meta-series mX and mXNDI. The meta46-compounds mX46 and mOMeNDI46 showed an intermediate behavior in both parts of this work.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2008.

University, Diss., 2001--Bremen.

University, Diss., 2001--Bremen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

University, Diss., 2005--Jena.

Synthetische anorganische Knochenersatzmaterialien auf Calcium-Phosphat- und Magnesium-Phosphat-Basis wurden in der hier vorliegenden Dissertation mit verschiedenen handelsüblichen Antibiotika versetzt und deren Freisetzungsverhalten charakterisiert. Zudem wurde der Einfluss des Antibiotikazusatzes auf bestimmte materialcharakteristische Eigenschaften untersucht, hierbei fanden die Quecksilberporosimetrie, die Röntgendiffraktometrie und die Rasterelektronenmikroskopie ihre Anwendung. Insbesondere für die Knochenersatzmaterialien auf Calcium-Phosphat-Basis sollte eine klinisch praktikable und demnach möglichst einfache Methode etabliert werden, um die Kombination mit einem Antibiotikum durchzuführen. Die Detektion der Antibiotika erfolgte mit Hilfe eines UV/VIS-Spektrophotometers. Zudem wurde für einige ausgewählte Kombinationen aus Antibiotikum und Knochenersatzmaterial durch einen Agardiffusionstest die antibakterielle Wirkung nach der Freisetzung aus dem jeweiligen Trägermaterial bestätigt. / Synthetic inorganic bone substitute materials based on calcium phosphate and magnesium phosphate were mixed with various commercially available antibiotics and their release behavior was characterized in the present dissertation. In addition, the influence of the antibiotic addition on certain material characteristic properties was investigated using mercury porosimetry, X-ray diffractometry and scanning electron microscopy. For the calcium-phosphate-based bone substitutes in particular, the aim was to establish a clinically practicable and therefore as simple as possible method for carrying out the combination with an antibiotic. Antibiotics were detected using a UV/VIS spectrophotometer. In addition, for some selected combinations of antibiotic and bone substitute material, an agar diffusion test was used to confirm the antibacterial effect after release from the respective carrier material.

This publication is dedicated to investigate strong light-matter coupling with excitons in 2D materials. This work starts with an introduction to the fundamentals of excitons in 2D materials, microcavities and strong coupling in chapter 2. The experimental methods used in this work are explained in detail in chapter 3. Chapter 4 covers basic investigations that help to select appropriate materials and cavities for the following experiments. In chapter 5, results on the formation of exciton-polaritons in various materials and cavity designs are presented. Chapter 6 covers studies on the spin-valley properties of exciton-polaritons including effects such as valley polarization, valley coherence and valley-dependent polariton propagation. Finally, the formation of hybrid-polaritons and their condensation are presented in chapter 7. / Diese Veröffentlichung beschäftigt sich mit starker Licht-Materie Kopplung mit Exzitonen in 2D Materialien. Dies Arbeit beginnt mit einer Einführung in Exzitonen in 2D Materialien, in Mikrokavitäten und starke Licht-Materie Kopplung (Kapitel 1). Die verwendeten, experimentellen Methoden werden in Kapitel 3 beschrieben. Kapitel 4 deckt Voruntersuchungen ab, die helfen die richtigen Materialien und Mikrokavitäten für die folgenden Experimente auszuwählen. In Kapitel 5 werden die Ergebnisse zur Erzeugung von Exziton-Polaritonen in verschiednen Materialen und Kavitäten gezeigt. Kapitel 6 beschäftigt sich mit Untersuchungen der Spin-Tal Eigenschaften der Exziton-Polaritonen, inkl. Effekte wie Tal Polarisation und Koherenz. Abschließend wird in Kapitel 7 die Erzeugung von Hybrid-Polaritonen und deren Kondensation dargestellt.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß der Oberflächeneigenschaften der verwendeten oxidischen Katalysatoren mit sauren Oberflächenzentren, der Elektrophilie des oberflächengenerierten Carbeniums und der Nucleophilie des Nucleophils auf die Reaktivität carbokationischer Zwischenstufen bei heterogen induzierten Reaktionen untersucht. Dazu wurde die modifizierte Geschwindigkeitskonstante k´ der Reaktion von oberflächengeneriertem Triphenylmethylium mit Nucleophilen bestimmt. Es konnte gezeigt werden, daß der Wert für k´ mit zunehmender Acidität, ausgedrückt durch den a-Wert des Katalysators, mit abnehmendem pKR+ des oberflächengenerierten Carbeniums und mit zunehmender Nucleophilie N des Nucleophils ansteigt. Dies ließ den Schluß zu, daß Konzepte wie z.B. die pKR+-Skala, die für Carbeniumionen in Lösung entwickelt wurden, qualitativ auf oberflächengenerierte Carbeniumionen übertragbar sind. Die Umsetzungen von auf Alumosilikaten generiertem Styrylium mit Aromaten ergaben, daß der Anteil des 1,1-Diphenylethanderivats im Verhältnis zu den ebenfalls gebildeten Styroldimeren mit zunehmender Nucleophilie N des Aromats zunahm. Untersuchungen zur Struktur und Konzentration von oberflächengeneriertem Triphenylmethylium bei Verwendung unterschiedlicher Katalysatoren und Triphenylmethyliumprecursoren wurden mittels UV-Vis- sowie Emissionsspektroskopie durchgeführt. Dabei hatte der verwendete Triphenylmethyliumprecursor keinen, der zur Aktivierung des Precursors verwendete Katalysator jedoch Einfluß auf die Struktur des oberflächengenerierten Triphenylmethyliums. Daraus wurden Vorschläge zur Wechselwirkung des Triphenylmethyliumprecursors mit den aciden Oberflächenzentren des Katalysators entwickelt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, daß die Triphenylmethyliumkonzentration auf der Oberfläche von Aerosil® 300 linear von der eingesetzten Masse und der damit korrespondierenden BET-Oberfläche abhängt. / The relative rate constant k´ (s-1m-2) of the surface mediated hydride transfer reaction of 1,4-cyclohexadiene towards triphenylmethylium is significantly dependend on the nature of the solid acid catalyst used. This hydride transfer reaction has been studied to be catalysed by various moderatly strong acid catalysts, e.g. silicas, aluminas, alumosilicates and titan dioxide particles. For the kinetic measurements the triphenylmethylium was generated by chemisorbing chloro triphenylmethane to the solid acid catalyst. The individual pseudo first order rate constant k (s-1) of the hydride transfer reaction increases linearly with the amount of the solid acid catalyst. k´ is then determined as quotient of k through the product of the used amount of the catalyst and its specific BET surface area. The k´ value was used as the reference parameter in order to quantify the catalytic activity of a solid acid.