Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

Nonbenzenoid carbocyclic rings are postulated to serve as important structural elements toward tuning the chemical and electronic properties of extended polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs, or namely nanographenes), necessitating a rational and atomically precise synthetic approach toward their fabrication. Here, using a combined bottom-up in-solution and on-surface synthetic approach, we report the synthesis of nonbenzenoid open-shell nanographenes containing two pairs of embedded pentagonal and heptagonal rings. Extensive characterization of the resultant nanographene in solution shows a low optical gap, and an open-shell singlet ground state with a low singlet–triplet gap. Employing ultra-high-resolution scanning tunneling microscopy and spectroscopy, we conduct atomic-scale structural and electronic studies on a cyclopenta-fused derivative on a Au(111) surface. The resultant five to seven rings embedded nanographene displays an extremely narrow energy gap of 0.27 eV and exhibits a pronounced open-shell biradical character close to 1 (y0 = 0.92). Our experimental results are supported by mean-field and multiconfigurational quantum chemical calculations. Access to large nanographenes with a combination of nonbenzenoid topologies and open-shell character should have wide implications in harnessing new functionalities toward the realization of future organic electronic and spintronic devices.

By the combination of 9a-azaphenalene and a perpendicularly oriented acene, we have synthesized three derivatives of a series of novel, fully-conjugated nitrogen-containing polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), namely [7,8]naphtho[2′,3′:1,2]indolizino[6,5,4,3-def]phenanthridine, with an acetylene triisopropylsilyl (TIPS), phenyl or benzothiophenyl substituent. Their optoelectronic properties were studied via UV-Vis-NIR absorption, fluorescence spectroscopy and cyclic voltammetry. In addition, in situ spectroelectrochemistry was performed to investigate the optical and magnetic properties of the mono-radical cation and anion by quasi-reversible oxidation and reduction of 11-(tert-butyl)-5,17-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)[7,8]naphtho[2′,3′:1,2]indolizino[6,5,4,3-def]phenanthridine (1a). Theoretical modelling confirmed the predominately closed-shell electronic ground state with a weak diradical character depending on the geometry.

No description available.

Polycyclic aromatic hydrocarbons exhibit a rich spectrum of physicochemical properties depending on the size and, more critically, on the edge and bond topologies. Among them, open-shell systems - molecules hosting unpaired electron densities - represent an important class of materials for organic electronic, spintronic, and optoelectronic devices, but remain challenging to synthesize in solution. We report the on-surface synthesis and scanning tunneling microscopy- and spectroscopybased study of two ultralow-gap open-shell molecules, namely peri-tetracene, a benzenoid graphene fragment with zigzag edge topology, and dibenzo[a,m]dicyclohepta-[bcde,nopq]rubicene, a nonbenzenoid nonalternant structural isomer of peri-tetracene with two embedded azulene units. Our results provide an understanding of the ramifications of altered bond topologies at the single-molecule scale, with the prospect of designing functionalities in carbon-based nanostructures via engineering of bond topology.

In this work, 22-pole ion trap machines have been applied to investigate protonated water clusters H+(H2O)n (n=4..10) and ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) at low temperatures. Protonated water clusters H+(H2O)n play an important role in atmospheric chemistry and in interstellar space. The Taipei 22-pole ion trap machine has been applied to kinetic and spectroscopic investigations of these clusters produced from a supersonic expansion in a corona discharge source. Using low-pressure He buffer gas for collisional thermalization, refrigeration of the ion trap by liquid nitrogen allows a good control of the cluster temperature over the range 80K-350K. This method provides an accurate means of determining the dissociation energies of the cluster ions by measuring their dissociation rates as a function of temperature and calculating their internal energies from vibrational frequencies provided by density functional theory. Results of the thermochemical measurements at well-defined cluster temperatures have been given for H+(H2O)n, n=4..10. The feasibility of using the ion trap to acquire temperature-dependent infrared spectra is presented. The deuteration and abstraction reactions of small ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) with H2, HD and D2 and the subsequent association processes have been explored at temperatures down to 15K in the Chemnitz 22-pole apparatus. The reactions of the investigated ionic species and their isotopic variants are important for understanding ion-molecule processes in the interstellar medium. One of the starting points of the research program was the question whether protonated methane, CH5+, is subject to H-D-exchange in collisions with HD at low temperatures. It turns out that the rate coefficient for this deuteration process is very small, whereas CH3+ deuterates with HD by three subsequent fast exchange reactions to CD3+ at a temperature of 15K. The latter process is very efficient and happens close to the collision limit. The methane cation, CH4+, on the other hand, shows also some interesting features in collisions with H2, HD and D2. It exhibits an inverse temperature dependence with the rate coefficient increasing at least one order of magnitude going from 300K to 15K. Furthermore, reacting with HD at the temperature of 15K, the reaction channel leading to CH5+ is preferred over the D-atom abstraction channel (isotope effect). / Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Apparaturen mit 22-Pol-Ionenfallen benutzt, um protonierte Wassercluster H+(H2O)n (n=4..10) und kleine ionische Kohlenwasserstoffe CHn+ (n=2..5) bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Die in einer Koronaentladungsquelle erzeugten Cluster H+(H2O)n wurden kinetisch und spektroskopisch untersucht. Dazu wurden sie in einem 22-Pol-Speicher mithilfe eines He-Puffergases auf einer Temperatur zwischen 80K und 350K thermalisiert. Die Bestimmung der Bindungsenergien fuer Cluster der Groesse n=4..10 wird ermoeglicht durch die Messung der temperaturabhaengigen Dissoziationsraten und durch die Ermittlung der inneren Energien mittels berechneter Schwingungsfrequenzen. Temperaturabhaengige IR-Spektren im Bereich der freien OH-Streckschwingung wurden aufgenommen. Die Austausch- und Abstreifreaktionen von ionischen Kohlenwasserstoffen CHn+ (n=2..5) mit H2, HD und D2 und die darauffolgenden Assoziationsprozesse wurden im Temperaturbereich 15K bis 300K untersucht. Es stellt sich z.B. heraus, dass der H-D-Austauschprozess zwischen CH5+ und HD bei 15K sehr langsam ist, wogegen CH3+ mit jeder Kollision einen Austausch ausfuehrt. In der Abstreifreaktion von CH4+ mit Wasserstoffmolekuelen beobachtet man eine inverse Temperaturabhaengigkeit. Dies wird vorlaeufig mit einer laengeren Komplexlebensdauer bei tiefen Temperaturen erklaert.

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Struktur verschiedener undotierter und mit Alkalimetallen beziehungsweise 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethan (F 4 TCNQ) dotierter, polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) untersucht. Diese Untersuchungen waren motiviert durch verschiedene Veröffentlichungen in denen supraleitendes Verhalten an unterschiedlichen alkalimetalldotierten PAK beschrieben wurde. Erste Studien erfolgten an undotiertem 1,2:8,9-Dibenzopentacen (DBP) und Pentacen unter Nutzung von Photoelektronenspektroskopie (PES), Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die spektroskopischen Methoden zeigten für beide Materialien eine große Ähnlichkeit der elektronischen Zustände, vor allem im niederenergetischen Bereich, welche durch die theoretischen Ergebnisse bestätigt wurde. Die elektronische Ähnlichkeit beider Materialien ist im starken Gegensatz zu dem in der Literatur bei Dotierung beobachteten Verhalten, bei dem Pentacen zum Mott-Isolator wird, während DBP Supraleitung zeigt. Weitere Untersuchungen erfolgten an Picen und Coronen. Bandstrukturrechnungen zeigten, dass Picen vermutlich ein stark korreliertes Elektronensystem besitzt. Neben dem mit PES ermittelten Ionisationspotential und der Austrittsarbeit waren auch die mit EELS gemessenen optischen Bandlücken der beiden Materialien sehr ähnlich. Unterschiede zeigten sich hingegen vor allem in der Dichte der gemessenen Zustände von Picen und Coronen am Ferminiveau. Bei der Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von mit Kalium-dotierten Picen und Coronen wurde trotz der erfolgreichen Dotierung in keinem der untersuchten Filme eine Zustandsdichte am Ferminiveau beobachtet somit wurde auch keiner der untersuchten Filme metallisch. Dasselbe Verhalten konnte auch für Natrium-dotierte Filme beobachtet werden. Eine Diskussion dieses Ergebnisses, welches im Gegensatz zu der von anderen Gruppen in dotierten Molekülen beobachteten Supraleitung steht, erfolgte im Hinblick auf die Bildung unterschiedlich dotierter Phasen, Elektron-Phonon-Kopplung, der Formierung von Bi-Polaronen und Korrelationseffekten. Für ein weitergehendes Verständnis der dotierungsinduzierten elektronischen Eigenschaften in den untersuchten Molekülen wurden diese nicht nur mit Alkalimetallen, sondern teilweise auch mit elektronenziehenden Molekülen wie F 4 TCNQ interkaliert. Dabei entstanden Kristalle verschiedener Ladungstransfersalze. Eine ausführliche Charakterisierung erfolgte für Picen/F 4 TCNQ-Kristalle, welche im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal hergestellt und untersucht wurden. Dabei wurde zunächst deren Kristallstruktur mit Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Eine Abschätzung der Größe des Ladungstransfers innerhalb der Molekülpaare aus Picen/ F 4 TCNQ erfolgte über Infrarot- und Bindungslängendaten, die auf diese Weise gefunden Werte wurden zusätzlich durch DFT-Rechnungen untermauert. Transportmessungen zeigten außerdem, dass die hergestellten Kristalle entlang ihrer Hauptwachstumsrichtung Isolatoren sind. Die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften wurde mit EELS und PES an Picen/ F 4 TCNQ -Dünnfilmen durchgeführt, welche durch die Verdampfung der Einkristalle hergestellt wurden. Die Molekülpaare zeigen einen Ladungstransfer, der neue elektronische Anregungen im Niederenergiebereich der mit EELS gemessenen Verlustfunktion hervorruft. Im weiteren Verlauf der Arbeit erfolgte eine Diskussion bezüglich des Charakters und der Lokalisierung dieser neuen Anregungen. Bei den PES-Messungen zeigte sich der Ladungstransfer durch energetische Verschiebungen in den gemessen Rumpfniveauspektren sowie durch im Vergleich zu den reinen Materialien deutlich veränderte Ionisationspotentiale. Trotz des erfolgreichen Ladungstransfers und der damit verbundenen Füllung von unbesetzten Zuständen mit Elektronen in F 4 TCNQ wurde jedoch in den Valenzbandspektren keine Emission am Ferminiveau beobachtet. DFT-Rechnungen ermöglichten schließlich Aussagen über den Charakter des Ladunstransfers und die daraus resultierende, fehlende Zustandsdichte am Ferminiveau.