Surfaces equipped with periodic patterns with feature sizes in the micrometer, submicrometer and nanometer range present outstanding surface properties. Many of these surfaces can be found on different plants and animals. However, there are few methods capable to produce such patterns in a one-step process on relevant technological materials. Direct laser interference patterning (DLIP) provides both high resolution as well as high throughput. Recently, fabrication rates up to 1 m²·min-1 could be achieved. However, resolution was limited to a few micrometers due to typical thermal effects that arise when nanosecond pulsed laser systems are used. Therefore, this study introduces an alternative to ns-DLIP for the fabrication of multi-scaled micrometer and submicrometer structures on nickel surfaces using picosecond pulses (10 ps at a wavelength of 1064 nm). Due to the nature of the interaction process of the metallic surfaces with the ultrashort laser pulses, it was not only possible to directly transfer the shape of the interference pattern intensity distribution to the material (with spatial periods ranging from 1.5 μm to 5.7 μm), but also to selectively obtain laser induce periodic surface structures with feature sizes in the submicrometer and nanometer range. Finally, the structured nickel sleeves are utilized in a roll-to-roll hot embossing unit for structuring of polymer foils. Processing speeds up to 25 m·min-1 are reported.

Die Entwicklung optoelektronischer Geräte wurde stark durch organische Donor-Akzeptor-Komplexe beeinflusst, die eine zentrale Rolle in der modernen Optoelektronik spielen. Diese Materialien ermöglichen ein komplexes Zusammenspiel elektronischer, optischer und phononischer Eigenschaften. Frühe Arbeiten zu konjugierten Polymeren in OLEDs und Bulk-Heterojunktionen in organischen Photovoltaikzellen legten das Fundament für praktikable OLEDs und verbesserten die Effizienz in OPVs. Kürzlich hat sich das Forschungsfeld auf hybride anorganisch-organische Systeme ausgeweitet. Diese Materialien kombinieren die hohe Ladungsträgerdichte und -mobilität der anorganischen Komponenten mit den Lichtausbeute- und Emissionscharakteristika organischer Moleküle. Die Integration von Übergangsmetall-Dichalcogenid-Monoschichten hat bedeutende Fortschritte gebracht, besonders für die Feineinstellung der Ladungstransferdynamik. Diese Entwicklungen stellen neue Herausforderungen dar, insbesondere bei der Modellierung laserinduzierter, ultraschneller Ladungstransferdynamik. RT-TDDFT hat sich als effizientes und genaues Werkzeug erwiesen, das für die Untersuchung großer Systeme geeignet ist und die Simulation zeitaufgelöster Phänomene ermöglicht. Diese Dissertation analysiert die laserinduzierte Ladungstransferdynamik in vollständig organischen und hybriden anorganisch-organischen Grenzflächen. Sie untersucht die Komplexität stark und schwach gebundener Grenzflächen und deren Verhalten unter externen Laserpulsen sowie den Temperatureffekten auf die Ladungstransferdynamik. Die Nutzung von RT-TDDFT zur Modellierung ultraschneller Elektronendynamik und vibronischer Kopplung hat das Verständnis in diesem Feld vertieft und die Effektivität bei der Modellierung optoelektronischer Geräte demonstriert. / The development of optoelectronic devices has been significantly influenced by organic donor-acceptor complexes, which play a central role in modern optoelectronics. These materials enable a complex interplay of electronic, optical, and phononic properties. Early work on conjugated polymers in OLEDs and bulk heterojunctions in organic photovoltaic cells laid the foundation for practical OLEDs and improved efficiency in OPVs. Recently, the field of research has expanded to hybrid inorganic-organic systems. These materials combine the high charge carrier density and mobility of inorganic components with the light yield and emission characteristics of organic molecules. The integration of transition metal dichalcogenide monolayers has brought significant advances, particularly in fine-tuning charge transfer dynamics. These developments present new challenges, especially in modeling laser-induced, ultrafast charge transfer dynamics. RT-TDDFT has proven to be an efficient and accurate tool suitable for studying large systems and enabling the simulation of time-resolved phenomena. This dissertation analyzes the laser-induced charge transfer dynamics in fully organic and hybrid inorganic-organic interfaces. It investigates the complexity of strongly and weakly bound interfaces and their behavior under external laser pulses, as well as the temperature effects on charge transfer dynamics. The use of RT-TDDFT to model ultrafast electron dynamics and vibronic coupling has deepened the understanding in this evolving field and demonstrated its effectiveness in modeling optoelectronic devices.

In der vorliegenden Arbeit wird bei tiefen Temperaturen die bimolekulare Reaktion C2H2+ + H2 -- C2H3+ + H in einem HF 22-Pol-Ionenspeicher untersucht. %weist eine Aktivierungsenergie von ca. 50 meV auf. Dreikörper- und Strahlungsratenkoeffizienten der Assoziationsreaktion C2H2+ + H2 -- C2H4+ werden bestimmt, sowie ihre Temperaturabhängigkeit. Durch Anregung der infrarot-aktiven antisymmetrischen C--H-Streckschwingung nu3 des C2H2+-Ions wird die Aktivierungsenergie der bimolekularen Reaktion überwunden. Zunächst wird ein Nd:YAG-Laser gepumpter Farbstofflaser mit Differenzfrequenzmischung und dann ein schmalbandiger cw-betriebener Bleisalzdiodenlaser zur Induzierung der Reaktion eingesetzt. Der Nachweis des Produkts C2H3+ dient als Hinweis auf den Anregungszustand der C2H2+-Ionen ( chemical probing) und somit lassen sich die P-, Q- und R-Zweige der Normalschwingung nu3 von C2H2+ aufzeichnen. Die empfindliche untergrundfreie Spektroskopie der Prim¨arionen wird demonstriert. Die hohe spektrale Auflösung des Experiments ermöglicht die Schwingungs-, Rotations-, Feinstruktur- und Kernspinszustandspezifische Anregung der C2H2+-Ionen. %Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen Rotationseffekte. Es wird gezeigt, dass eine grössere Rotationsquantenzahl des C2H2+-Ions zur Behinderung der Reaktion führt. Mit der Messung der C2H3+-Ionenzahl als Funktion der Speicherzeit und der H2-Dichte werden die Ratenkoeffizienten der laserinduzierten Reaktion und der Reaktion schwingungsangeregter Primärionen bestimmt. Es wird vermutet, dass die Energie nicht unmittelbar in der Reaktionskoordinate vorhanden ist, sondern einen Sto¨skomplex \mbox{\glqq erhitzt\grqq}. Die von einer Barriere im Eingangskanal behinderte Komplexbildung kann die vorgestellten Ergebnisse erklären. Der Ratenkoeffizient der stossinduzierten Schwingungsrelaxation wird ermittelt. Die experimentelle Bestimmung des Einstein-Koeffizienten der spontanen Emission ermöglicht es, die Lebensdauer des angeregten Zustandes sowie das Dipolmatrixelement und die Schwingungsintensität von nu3 abzuschätzen.

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In der vorliegenden Arbeit wird bei tiefen Temperaturen die bimolekulare Reaktion C2H2+ + H2 -- C2H3+ + H in einem HF 22-Pol-Ionenspeicher untersucht. %weist eine Aktivierungsenergie von ca. 50 meV auf. Dreikörper- und Strahlungsratenkoeffizienten der Assoziationsreaktion C2H2+ + H2 -- C2H4+ werden bestimmt, sowie ihre Temperaturabhängigkeit. Durch Anregung der infrarot-aktiven antisymmetrischen C--H-Streckschwingung nu3 des C2H2+-Ions wird die Aktivierungsenergie der bimolekularen Reaktion überwunden. Zunächst wird ein Nd:YAG-Laser gepumpter Farbstofflaser mit Differenzfrequenzmischung und dann ein schmalbandiger cw-betriebener Bleisalzdiodenlaser zur Induzierung der Reaktion eingesetzt. Der Nachweis des Produkts C2H3+ dient als Hinweis auf den Anregungszustand der C2H2+-Ionen ( chemical probing) und somit lassen sich die P-, Q- und R-Zweige der Normalschwingung nu3 von C2H2+ aufzeichnen. Die empfindliche untergrundfreie Spektroskopie der Prim¨arionen wird demonstriert. Die hohe spektrale Auflösung des Experiments ermöglicht die Schwingungs-, Rotations-, Feinstruktur- und Kernspinszustandspezifische Anregung der C2H2+-Ionen. %Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen Rotationseffekte. Es wird gezeigt, dass eine grössere Rotationsquantenzahl des C2H2+-Ions zur Behinderung der Reaktion führt. Mit der Messung der C2H3+-Ionenzahl als Funktion der Speicherzeit und der H2-Dichte werden die Ratenkoeffizienten der laserinduzierten Reaktion und der Reaktion schwingungsangeregter Primärionen bestimmt. Es wird vermutet, dass die Energie nicht unmittelbar in der Reaktionskoordinate vorhanden ist, sondern einen Sto¨skomplex \mbox{\glqq erhitzt\grqq}. Die von einer Barriere im Eingangskanal behinderte Komplexbildung kann die vorgestellten Ergebnisse erklären. Der Ratenkoeffizient der stossinduzierten Schwingungsrelaxation wird ermittelt. Die experimentelle Bestimmung des Einstein-Koeffizienten der spontanen Emission ermöglicht es, die Lebensdauer des angeregten Zustandes sowie das Dipolmatrixelement und die Schwingungsintensität von nu3 abzuschätzen.