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

Techn. University, Diss., 2005--Berlin.

Laser spectroscopic gas sensing has been applied for decades for several applications as atmospheric monitoring, industrial combustion gas analysis or fundamental research. The availability of new laser sources in the mid-infrared opens the spectral fingerprint range to the technology where multiple molecules possess their fundamental ro-vibrational absorption features that allow very sensitive detection and accurate discrimination of the species. The increasing maturity of quantum cascade lasers that cover this highly interesting spectral range motivated this research to gain fundamental knowledge about the spectra of hydrocarbon gases in pure composition and in complex mixtures as they occur in the petro-chemical industry. The long-term target of developing accurate and fast hydrocarbon gas analyzers, capable of real-time operation while enabling feedback-loops, would lead to a paradigm change in this industry. This thesis aims to contribute to a higher accuracy and more comprehensive understanding of the sensing of hydrocarbon gas mixtures. This includes the acquisition of yet unavailable high resolution and high accuracy reference spectra of the respective gases, the investigation of their spectral behavior in mixtures due to collisional broadening of their transitions and the verification of the feasibility to quantitatively discriminate the spectra when several overlapping species are simultaneously measured in gas mixtures. To achieve this knowledge a new laboratory environment was planned and built up to allow for the supply of the individual gases and their arbitrary mixing. The main element was the development of a broadly tunable external-cavity quantum cascade laser based spectrometer to record the required spectra. This also included the development of a new measurement method to obtain highly resolved and nearly gap-less spectral coverage as well as a sophisticated signal post-processing that was crucial to achieve the high accuracy of the measurements. The spectroscopic setup was used for a thorough investigation of the spectra of the first seven alkanes as of their mixtures. Measurements were realized that achieved a spectral resolution of 0.001 cm-1 in the range of 6-11 µm while ensuring an accuracy of 0.001 cm-1 of the spectra and attaining a transmission sensitivity of 2.5 x 10-4 for long-time averaging of the acquired spectra. These spectral measurements accomplish a quality that compares to state-of-the art spectral databases and revealed so far undocumented details of several of the investigated gases that have not been measured with this high resolution before at the chosen measurement conditions. The results demonstrate the first laser spectroscopic discrimination of a seven component gas mixture with absolute accuracies below 0.5 vol.% in the mid-infrared provided that a sufficiently broad spectral range is covered in the measurements. Remaining challenges for obtaining improved spectral models of the gases and limitations of the measurement accuracy and technology are discussed. / Laserspektroskopie ist eine seit Jahrezehnten verbreitete Methodik zur Gasmessung. Zu den Anwendungen zählen Atmosphärenuntersuchungen, die Analyse von industriellen Verbrennungsgasen oder Grundlagenforschung der Gasspektren. Die Verfügbarkeit neuer Laserquellen im mittleren Infrarotbereich eröffnet den sogenannten spektralen "Fingerprint-Bereich", in welchem eine Vielzahl von Molekülen ihre spezifischen Rotations- Vibrations-Grundschwingungen haben, und damit sehr genaue Konzentrationsbestimmung und exakte Unterscheidung der Gase ermöglicht. Die zunehmende Reife von Quantenkaskadenlasern motivierte diese Forschungsarbeit, um Grundlagenwissen über pure Kohlenwasserstoffspektren und deren Mischungen, wie sie beispielsweise in der petrochemischen Industrie auftreten, zu erlangen. Das langfristige Ziel der Entwicklung eines hochgenauen und schnellen Analysators für Kohlenwasserstoffgemische, welcher Echtzeit-Messungen und damit direkte Rückkopplungsschleifen ermöglicht, würde zu einem Paradigmenwechsel in der Prozesskontrolle vieler Industriebereiche führen. Diese Doktorarbeit leistet einen Beitrag für ein umfassenderes Verständnis und höhere Genauigkeit der Messung von Kohlenwasserstoffgemischen. Dies beinhaltet die Aufnahme bisher nicht verfügbarer hochaufgelöster und hochgenauer Referenzspektren der untersuchten Gase, die Untersuchung ihres spektralen Verhaltens bei Stoßverbreiterung in Mischungen und der quantitativen Unterscheidbarkeit, wenn Moleküle mit überlappenden Spektren gleichzeitig gemessen werden. Um dieses Wissen zu erlangen, wurde ein neuer Laboraufbau zur Untersuchung einzelner Gase sowie deren Gemische geplant und aufgebaut. Die Hauptkomponente bildet eine weit abstimmbares Externe-Kavität- Quantenkaskadenlaser-Spektrometer. Weitere Teile der Entwicklung waren zudem eine neue Messmethodik, um hochaufgelöste und im untersuchten Spektralbereich nahezu lückenlose Spektren zu erhalten, sowie eine umfangreiche Nachverarbeitung der Messdaten, welche essentiell war, um die hohe Genauigkeit der Messungen zu ermöglichen. Der Spektrometeraufbau wurde zur Untersuchung der Spektren der ersten sieben Alkane und ihrer Mischungen verwendet. Die Messungen erreichen eine spektrale Auslösung von 0.001 cm-1 im Spektralbereich von 6-11 µm und garantieren gleichzeitig eine Genauigkeit von 0.001 cm-1. Eine Sensitivität von 2.5x10-4 konnte durch das Mitteln mehrer Messungen erreicht werden. Die Qualität der Spektren ist damit vergleichbar zu aktuellen Spektren-Datenbanken und zeigt zudem bisher undokumentierte Details in mehreren Spektren der gemessenen Gase auf, welche unter den gewählten Messbedingungen bisher nicht so hochaufgelöst gemessen wurden. Die Ergebnisse demonstrieren die erste laserspektrokopische Unterscheidung eines Siebenkomponentengemisches von Kohlenwasserstoffen im mittleren Infrarotbereich mit einer absoluten Konzentrationsgenauigkeit von unter 0.5 vol.% je Komponenten. Weitere Herausforderungen zur Verbesserung spektraler Modelle der Gase sowie die Grenzen der Messgenauigkeit und der verwendeten Technologie werden diskutiert.

Femtosekunden-zeitaufgelöste transiente Absorptionsspektroskopie einer neutralen organischen gemischtvalenten Verbindung In einem Femtosekunden-zeitaufgelösten Anrege-Abfrage-Experiment wurde die Dynamik des Elektronentransfers einer neutralen organischen gemischtvalenten Verbindung untersucht. Neben der Abhängigkeit des Rückelektronentransfers von der Solvenspolarität wurde auch die Rotationsdiffusion in n-Hexan, Toluol, Dibutylether, tert-Butylmethylether und Benzonitril studiert. Die transiente Dynamik lässt sich mit einer Lebensdauer beschreiben, verursacht durch einen Rückelektronentransfer. Während dieser in unpolaren Lösemitteln relativ langsam verläuft, beobachtet man deutlich schnellere ET-Raten mit steigender Polarität des Lösemittels. Die Lebensdauer variiert von 1.2 ps für Benzonitril bis 260 ps für n-Hexan. Rotationsdiffusion konnte nicht beobachtet werden. Die gemessenen Raten wurden mit theoretischen Raten verglichen. Für unpolare Lösemittel konnte eine gute Übereinstimmung gefunden werden. In polaren Lösemitteln bewirkt eine Korrektur, die die Solvensrelaxationszeit berücksichtigt, eine sehr gute Übereinstimmung von berechneten und gemessenen Rückelektronentransferraten. Zeit- und frequenzaufgelöste Photoionisation des C 2A2-Zustandes des Benzylradikals Die Lebensdauer des C 2A2-Zustandes des Benzylradikals wurde in Abhängigkeit der Überschussenergie bestimmt. Die zeitabhängigen Ionensignale konnten dabei mit einer biexponentiellen Dynamik beschrieben werden. Bei einer Anregung am Ursprung (305nm) betragen die Lebensdauern τ1= 400 fs und τ2 = 4.5 ps. Die kürzere Lebensdauer τ1 beschreibt die interne Konversion vom C-Zustand zu den stark koppelnden A/B-Zuständen, die längere Lebensdauer τ2 die interne Konversion von den A/B-Zuständen in den elektronischen Grundzustand. Mit steigender Anregungsenergie beobachtet man eine stete Abnahme beider Lebensdauern. Bei einer Anregung mit einem Puls der Wellenlänge von 301 nm beobachtet man deutlich kürzere Lebensdauern mit τ1 = 350 fs und τ2 = 2.8 ps. Erfolgt die Anregung mit einem Puls der Wellenlänge von 298 nm, betragen die Zeitkonstanten τ1 = 180 fs und τ2 = 2.1 ps. Desweiteren konnte ein zeitabhängiges Ionensignal für eine Spezies mit der Zusammensetzung C7H5 beobachtet werden. Der Träger des Signals ist das Fulvenallenylradikal. / Femtosecond time-resolved transient absorption spectroscopy of a neutral organic mixed-valenced compound The dynamics of electron transfer of a neutral organic mixed-valence compound was investigated by femtosecond transient absorption spectroscopy. Both dependence of back-electron transfer on solvent polarity and rotational diffusion was studied in n-hexane, toluene, dibutylether, methyl-tert-butyl ether and benzonitrile. The transient kinetics is governed by one time constant which is assigned to back-electron transfer. It ranges from 1.2 ps in benzonitrile to 260 ps in n-hexane. While back electron transfer is slow in non-polar solvents increasing back-electron transfer rates with increasing solvent polarity are observed. No rotational diffusion was observed. The measured rates for back-electron transfer were compared to rates derived from a Golden rule-type expression. Good agreement was achieved with non-polar solvents. In polar solvents, a correction using the solvent relaxation times yielded an excellent agreement between computed and observed back-electron transfer rates. Time- and frequency-resolved photoionization of the C 2A2 state of the benzyl radical The excited state lifetime of the C 2A2 state of the benzyl radical was determined as a function of excess energy. Time-dependent ion traces were fitted using a biexponential decay. At the origin of the C-state, excited state lifetimes of 400 fs and 4.5 ps were assigned to sequential internal conversion processes from the C-state to the A/B states and to the ground state. With increasing excitation, the lifetimes shorten considerably. With excitation at 301 nm the time constants are 350 fs and 2.8 ps. At 298 nm the time constants are 180 fs and 2.1 ps. In addition we observed a decay trace for a species with the composition C7H5. The carrier of the signal is fulvenallenyl.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007.

Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1997.

Airborne measurements of the downward spectral solar irradiance were analyzed with differential optical absorption spectroscopy for the integrated water vapor (IWV) in the atmospheric column above the aircraft. The measurements are obtained from two campaigns in 2016, during which the High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO) took measurements of the downward solar irradiance within the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS). The feasibility and limitations of the presented method are discussed for the dry conditions, which are typical for the high altitudes of the UTLS and above. Considering the uncertainties encountered in the irradiance measurements and the high sensitivity of the retrieval, the method was unable to provide sound results for the stratosphere, but provided reasonable results in the troposphere. / Flugzeuggetragene Messungen der abwärtsgerichteten spektralen solaren Irradianz wurden mit der Methode der differenziellen optischen Absorptionsspektroskopie auf den integrierten Wasserdampf (IWV) in der Atmosphäre oberhalb des Flugzeuges untersucht. Im Rahmen zweier Messkampagnen im Jahr 2016 führte das High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO) Messungen der spektralen solaren Irradianz in dem Höhenbereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) durch. Hier werden das Potential und die Limitierungen eines solchen Verfahrens untersucht, um Wasserdampf in den trockenen Gegebenheiten abzuleiten, die in und oberhalb der UTLS herrschen. Angesichts der Messunsicherheiten und der hohen Sensitivität des Verfahrens, konnten in der Statosphäre nicht aussagekräftige Ergebnisse erreicht werden, aber in der Troposphäre konnte das Verfahren zuverlässige Ergebnisse liefern.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der spektroelektrochemischen Untersuchung von halbleitenden SWNTs. Hierbei wurden erstmalig Absorptions- und Photolumineszenzspektren ein und derselben SWNT-Probe simultan unter elektrochemischer Potentialkontrolle aufgenommen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Messmethode einen entscheidenden Einfluss auf die erhaltene Bandlücke besitzt und der in der Literatur geprägte Begriff der Elektrochemischen Bandlücke aufgrund einer fehlenden allgemeingültigen Definition problembehaftet ist. So ergeben Photolumineszenzmessungen im Vergleich zu Raman- oder Absorptionsmessungen die kleinste Bandlücke. Dies wurde auf die diffusionskontrollierte Löschung der Exzitonen an Ladungszentren zurückgeführt. Weiterhin wurden die optischen Spektren von SWNTs unter Ladungseinfluss analysiert und die zugrundeliegenden Änderungen der elektronischen Eigenschaften diskutiert. Neben SWNTs wurden die Übergangsmetalldichalkogenide MoS2 und WS2 spektroelektrochemisch untersucht. Auffallend im Vergleich zu den Messungen an SWNTs war der breite Potentialbereich, über den die Abnahme der exzitonischen Signale zu beobachten war. Dies kann auf die unterschiedliche elektronische Struktur von TMDs und SWNTs und den geringen Anteil von Einzellagen in den TMD-Proben zurückgeführt werden. Weiterhin konnte in den Absorptionsspektren unter Ladungseinfluss ein Signal beobachtet werden, welches auf die Entstehung von Trionen hindeutet. In einem weiteren Teilprojekt wurde eine elektrochemische Zelle zur Untersuchung von metallischen SWNT-Filmen als Elektrode für die Wasserstoffproduktion entwickelt und getestet. Hierbei gelang es die von Das et al. publizierte Aktivierung von SWNTs mit Schwefelsäure erfolgreich nachzuvollziehen und einen katalytischen Effekt der SWNTs auf die Wasserstoffentwicklung zu beobachten. / The main focus of this work was on spectroelectrochemical studies of semiconducting SWNTs. For the first time, absorption and photoluminescence spectra of one and the same sample were recorded simultaneous under electrochemical control of the potential. It was shown, that the optical method has a significant influence on the resulting band gap. Therefore, the term electrochemical band gap, which has developed in literature, is problematic due to a missing general definition. Photoluminescence measurements yield the smallest band gap in comparison to Raman or absorption measurements. This was attributed to the diffusion limited quenching of excitons at charges. Furthermore, the optical spectra of charged SWNTs were analysed and the underlying electronic changes were discussed. In addition to SWNTs, the transition metal dichalcogenides MoS2 and WS2 were studied with spectroelectrochemical methods as well. Striking, when compared to the measurements of SWNTs, was the broad potential range during which the decrease of the excitonic signals could be observed. This can be attributed to the different electronic structures of TMDs and SWNTs and the small amount of mono layers in the TMD samples. Under the influence of charges it was furthermore possible to observe a signal in the absorption spectra, which points to the formation of trions. In the last part of this work an electrochemical cell for the investigation of hydrogen production at metallic SWNT electrodes was developed and tested. The activation procedure of SWNTs with sulphuric acid, which was published by Das et al., was successfully reproduced, and a catalytic effect on the hydrogen production by the SWNTs was observed.

Techn. Universiẗat, Diss.--Dresden, 2000.

Universiẗat, Diss., 1998--Heidelberg.