Four molecular germanates based on salicyl alcoholates, bis(dimethylammonium) tris[2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (1), bis(dimethylammonium) tris[4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (2), bis(dimethylammonium) tris[4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (3) and dimethylammonium bis[2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phenolate(2-)][2-tert-butyl-4-methyl-6-(hydroxymethyl)phenolate(1-)]germanate (4), were synthesized and characterized including single crystal X-ray diffraction analysis. In the solid state, compounds 1 and 2 exhibit one-dimensional hydrogen bonded networks, whereas compound 4 forms separate ion pairs, which are connected by hydrogen bonds between the dimethylammonium and the germanate moieties. The potential of these compounds for thermally induced twin polymerization (TP) was studied. Germanate 1 was converted by TP to give a hybrid material (HM-1) composed of phenolic resin and germanium dioxide. Subsequent reduction with hydrogen provided a microporous composite containing crystalline germanium and carbon (Ge@C – C-1, germanium content ∼20%). Studies on C-1 as an anode material for Li-ion batteries revealed reversible capacities of ∼370 mA h gGe@C−1 at a current density up to 1384 mA g−1 without apparent fading for 500 cycles. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen Relaxationsprozessen in quasi-eindimensionalen organischen Molekülkristallen. Als Modellsystem wird das Perylenderivat MePTCDI untersucht. Mit verschiedenen Methoden der optischen Ultrakurzzeit-Spektroskopie werden Prozesse der Exzitonen- und Phononenrelaxation in der Zeit-Domäne untersucht. Die dafür aufgebauten Experimente erreichen eine Zeitauflösung von 20 Femtosekunden. Durch optische Anregung der niedrigsten elektronischen Übergänge werden in einem organischen Molekülkristall freie Exzitonen mit Wellenvektor k=0 gebildet. Dabei werden gleichzeitig zahlreiche intramolekulare und intermolekulare Schwingungsfreiheitsgrade angeregt. Die Anregung mit fs-Laserpulsen führt zum Aufbau kohärenter Schwingungswellenpakete. Es werden sowohl hochenergetische Oszillationen intramolekularer Vibrationen beobachtet, als auch erstmalig niedrigenergetische Oszillationen, die von Gittervibrationen (Phononen) stammen. Die kohärenten Vibrationen im elektronischen Grundzustand klingen bei Raumtemperatur im Bereich einiger Pikosekunden ab. Durch die optische Anregung mit fs-Laserpulsen wird nicht nur phononische Kohärenz, sondern auch elektronische Kohärenz der optischen Übergänge induziert. Die elektronische Kohärenz klingt mit der Dephasierungszeit T2 ab. Trotz der hohen Zeitauflösung war es letztendlich nicht möglich, die Dephasierung des niedrigsten exzitonischen Übergangs zeitlich aufzulösen - sie liegt jedoch im Bereich 17fs < T2 < 52fs. Die energetische Relaxation der freien Exzitonen zu den relaxierten, emittierenden Exzitonenzuständen erfolgt mit einer Zeitkonstante von ca. 50fs. Von diesen relaxierten Zuständen erfolgt die energetische Abregung in den elektronischen Grundzustand im ns-Bereich. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen an selbst-assemblierten Monoschichten (SAM) photochromer Moleküle vorgestellt. Als Modellsystem dienen Azobenzen-funktionalisierte Thiole auf Gold (111). Es konnten hochgeordnete Monoschichten dieser photochromen Moleküle erzielt werden, allerdings sind die bisherigen Schichten aufgrund der dichten Packung nicht photoaktivierbar. Mit Hilfe von Raster-Mikroskopie und Infrarot-Spektroskopie werden diese ultradünnen Schichten strukturell untersucht. Es wird ein kommensurates Wachstum mit zwei Molekülen in der nahezu rechteckigen Einheitszelle beobachtet, wobei die laubbaumförmigen Moleküle nahezu senkrecht auf der Oberfläche stehen. Als weitere Methode wurde die Generation der zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation, SHG) angewendet. Diese Technik eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, photostimuliertes Schalten der Schicht zeitaufgelöst zu untersuchen. / The first part of this thesis is devoted to ultrafast relaxation processes in quasi-one-dimensional organic molecular crystals. Crystalline samples of the perylene derivative MePTCDI are employed as a model system. Processes concerning the excitonic and phononic relaxation are investigated in time domain using various experimental techniques of optical ultrafast spectroscopy. The experimental setups attain a time-resolution of 20 femtoseconds. Free excitons at wavevector k=0 are formed in a molecular crystal by optical excitation of the lowest electronic transitions. Thereby, various intramolecular and intermolecular vibrational degrees of freedom are excited simultaneously. The excitation by fs-laser pulses results in the composition of coherent vibrational wave packets. Both, higher-energetic oscillations caused by intramolecular vibrations (internal phonons) and, for the first time in a quasi-one-dimensional organic system, lower-energetic modulations which are related to coherent lattice phonons (external phonons) are observed. The coherence of both types of phonons in the electronic ground state is damped at room temperature within a few ps. Besides phononic coherence, optical excitation by fs-laser pulses additionally induces electronic coherence of the optical transitions. The electronic coherence decays with the dephasing time T2. In spite of the high time-resolution, finally it was not possible to time resolve the dephasing of the lowest excitonic transition - however, we can estimated it to be in the range of 17fs < T2 < 52fs. The energetic relaxation of free excitons to the relaxed, emitting exciton states takes place with a time constant of approx. 50fs. The subsequent energetic relaxation to the electronic ground state occurs on a ns-time scale. In the second part, investigations of self-assembled monolayers (SAM) of photochromic molecules are presented. Azobenzene-functionalized thiols on gold (111) are employed as a model system. Highly ordered monolayers of these photochromic molecules could be realized. However, these layers are not photoactive because of dense packing. By use of scanning tunneling microscopy and infra-red spectroscopy the structural properties of these ultrathin layers are investigated. A commensurate growth, yielding a lattice with two molecules within the nearly rectangular unit cell is observed. The molecules, shaped like a broad-leafed tree, are found to stand nearly upright on the surface. Second harmonic generation (SHG) is applied as another experimental method. This technique allows to time resolve photo-stimulated conformational changes of the layers in principle.

This work offers a concept to predict and comprehend the electronic excited states in regular aggregates formed of quasi-one-dimensional organic materials. The tight face-to-face stacking of the molecules justifies the idealization of the crystals and clusters as weakly interacting stacks with leading effects taking place within the columnar sub-structures. Thus, the concept of the small radius exciton theory in linear molecular chains was adopted to examine the excitonic states. The excited states are composed of molecular excitations and nearest neighbor charge transfer (CT) excitations. We analyzed the structure and properties of the excited states which result from the coupling of Frenkel and CT excitons of arbitrary strength in finite chains with idealized free ends. With the help of a partially analytical approach to determine the excitonic states of mixed Frenkel CT character by introducing a complex wave vector, two main types of states can be distinguished. The majority of states are bulk states with purely imaginary wavevector. The dispersion relation of these state matches exactly the dispersion relation known from the infinite chain. The internal structure of the excitons in infinite chains is directly transferred to the bulk states in finite chains. TAMM-like surface states belong to the second class of states. Owing to the damping mediated by a a non-vanishing real part of the wavevector, the wave function of the surface states is localized at the outermost molecules. The corresponding decay length is exclusively determined by the parameterization of the coupling and is independent of the system size. It can therefore be assigned as a characteristic quantum length which plays a vital role for the understanding of system-dependent behavior of the states. The number and type of surface states occurring is predicted for any arbitrary coupling situation. The different nature of bulk and surface states leads to distinct quantum confinement effects. Two regimes are distinguished. The first regime, the case of weak confinement, is realized if the chain length is larger than the intrinsic length. Both kinds of states arrange with the system size according to their nature. Derived from the excitonic states of the infinite chain, the bulk states preserve their quasi-particle character in these large systems. Considered as a quasi-particle confined in box, they change their energy with the system size according to the particle-in-a-box picture. The surface states do not react to a change of the chain length at all, since effectively only the outermost molecules contribute to the wavefunction. The second regime holds if the states are strongly confined, i.e., the system is smaller than the intrinsic length. Both types of states give up their typical behavior and adopt similar properties. / Diese Arbeit unterbreitet ein Konzept, um elektronische Anregungszustände in Aggregaten quasi-eindimensionaler organischer Materialien vorherzusagen und zu verstehen. Die dichte Packung der Moleküle rechtfertigt die Idealisierung der Kristalle bzw. Cluster als schwach wechselwirkende Stapel, wobei die führenden Effekte innerhalb der Molekülstapel zu erwarten sind. Zur Beschreibung der exzitonischen Zustände wurde das Konzept der 'small radius'-Exzitonen in linearen Molekülketten angewandt. Die elektronischen Zustände sind dabei aus molekularen (Frenkel) und nächsten Nachbarn 'charge-transfer' (CT) Anregungen zusammengesetzt. Die Struktur und Eigenschaften der Zustände wurden für beliebige Kopplungsstärken zwischen Frenkel- und CT Anregungen in Ketten mit idealisierten freien Enden für beliebiger Längen analysiert. Der entwickelte, überwiegend analytische Zugang, welcher auf der Einführung eines komplexen Wellenvektors beruht, ermöglicht die Unterscheidung zweier grundsätzlicher Zustandstypen. Die Mehrheit der Zustände sind Volumenzustände mit rein imaginärem Wellenvektor. Die zugehörige Dispersionsrelation entspricht exakt der Dispersionsrelation der unendlichen Kette mit äquivalenten Kopplungsverhältnissen. Die interne Struktur der Exzitonen der unendlichen Kette wird auf die Volumenzustände der endlichen Kette direkt übertragen. Der zweite grundlegende Zustandstyp umfaßt Tamm-artige Oberflächenzustände. Aufgrund der durch einen nichtverschwindenden reellen Anteil des Wellenvektors hervorgerufenen Dämpfung sind die Wellenfunktionen der Oberflächenzustände an den Randmolekülen lokalisiert. Die entsprechende Dämpfungslänge ist ausschließlich durch die Parametrisierung der Kopplungen bestimmt und ist somit unabhängig von der Kettenlänge. Sie kann daher als intrinische Quantenlänge interpretiert werden, welche von essentieller Bedeutung für das Verständnis systemgrößenabhängigen Verhaltens ist. Sowohl die Anzahl als auch die Art der Oberflächenzustände kann für jede Kopplungssituation vorhergesagt werden. Die unterschiedliche Natur der Volumen- und Oberflächenzustände führt auf ausgeprägte 'Quantum confinement' Effekte. Zwei Regime sind zu unterscheiden. Im Falle des ersten Regimes, dem schwachen 'Confinement', ist die Kettenlänge größer als die intrinsische Länge. Beide Zustandarten reagieren auf eine Veränderung der Kettenlänge gemäß ihrer Natur. Aufgrund ihrer Verwandschaft mit den Bandzuständen der unendlichen Kette bewahren die Volumenzustände ihren Quasiteilchen-Charakter. Aufgefaßt als Quasiteilchen, erfahren sie in endlichen Systemen eine energetische Verschiebung gemäß dem Potentialtopf-Modell. Oberflächenzustände zeigen keine Reaktion auf veränderte Kettenlängen, da effektiv nur die Randmoleküle zur Wellenfunktion beitragen. Es findet ein Übergang zum zweiten Regime (starkes 'Confinement') statt, sobald die Kettenlänge kleiner als intrinsische Quantenlänge wird. Beide Zustandsarten geben ihr typisches Verhalten auf und werden mit abnehmender Kettenlänge zunehmend ähnlicher.

In dieser Arbeit wurden die Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien von Ag/n-GaAs(100) Schottky-Dioden untersucht, wobei die Kennlinien durch organische Zwischenschichten verschiedener Dicke modifiziert werden. Dazu wird der organische Halbleiter 3,4,9,10- Perylentetracarboxyldianhydrid (PTCDA) verwendet. Die PTCDA-Schichten werden mittels Organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) hergestellt. Die Charakterisierung der Ag/PTCDA/GaAs-Dioden erfolgte sowohl in situ als auch ex situ.

Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Synthese von organisch/anorganischen Hybridmaterialien mit multifunktionalen Eigenschaften unter ausschliesslicher Darstellung dieser Materialen mit Hilfe des „wet chemistry“ Zugangs. Ausgehend von der Darstellung und Charakterisierung von isomorphen bzw. isostrukturellen Hybridmaterialien der allgemeinen Zusammensetzung catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) speziell mittels IR und UV/vis Spektroskopie ist beschrieben, wie sich aus diesen entsprechende bi-, tri-, und auch tetra-heterometallische Koordinationspolymere der allgemeinen Zusammenseztung {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ und x, y, z, t als prozentualer Metallgehalt) herstellen lassen und welche limitierende Faktoren zu berücksichtigen sind. Leifähigkeitsmessungen an Einkristallen ausgewählter Koordinationspolymere werden vorgestellt. Zusätzlich werden die durch Rekristallisation von Nitac erhaltenen zwei verschiedenen Koordinationspolymere der Formel {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n und {[(Me3NH]{NiCl3}}n in Bezug auf ihre ungewöhnlichen strukturellen und magnetischen Eigenschaften vorgestellt und beschrieben. Die durch Austausch von [Me3NH]+ Kationen gegen [Et3NH]+ bzw. protonierten aromatischen N-haltigen Kationen wie [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ erhaltenen Reaktionsprodukte aus Umsetzungen mit Hilfe des “wet chemistry” Zugangs werden im Hinblick auf ihre Festkörperstrukturen beschrieben. Die erfolgreiche Darstellung einer neuen Familie von perylentetracarboxylato-basierenden Komplexen, die teilweise hervorragende Löslichkeiten besitzen, wird beschrieben sowie die strukturellen, magnetischen und lumineszierenden Eigenschaften ausgewählter Vetreter. / The thesis presented here is focused on the synthesis of organic/ inorganic hybrid materials with multifunctional properties by means of the “wet chemistry” approach. The synthesis and characterization of hybrid materials with the general composition catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) is described. Due to their isomorphic and/ or isostructural character, bi-, tri-, and even tetra-heterometallic chains of the general formula {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ and x, y, z, t is the percentage of each metal content) were synthesized and characterized. Limitating factors of the synthesis of these types of heterometallic coordination polymers are discussed. Furthermore, the conductive properties of selected representatives were investigated. Additionally, the products obtained from recrystallization of Nitac, two different novel 1D coordination polymers of the formula {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n and {[(Me3NH]{NiCl3}}n are described with respect to their structural and magnetic properties. Efforts to replace the [Me3NH]+ cations of Mtac compounds by [Et3NH]+ cations as well as by protonated aromatic amines as [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ are reported next with respect to the structural exploration of obtained hybrid materials by the “wet chemistry” approach. Finally, the synthesis of a new family of perylene tetracarboxylate (ptc) based soluble complexes is reported. Structural, magnetic and luminescence properties of selected representatives of this new series of soluble ptc derivatives are reported.

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit wurden Bor- und Siliziumzwillingsmonomere mit Salicylalkohol und Methoxybenzylalkohol als Reaktanden synthetisiert. Die erhaltenen Verbindungen wurden mittels spektroskopischer Methoden charakterisiert und anhand von thermischen Analysemethoden umfassend hinsichtlich ihrer Polymerisierbarkeit untersucht. Durch die Kombination verschiedener Monomere in der Simultanen Zwillingspolymerisation gelang es, organisch-anorganische, nanostrukturierte Hybridmaterialien herzustellen. Die säure- und basenkatalysierte Simultane Zwillingspolymerisation von 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] und 2,2’-disubstituierten 4H-1,3,2-Benzodioxasilin-Zwillingsmonomeren ermöglichte es, Hybridmaterialien bestehend aus Siliziumdioxid, Polysiloxan und Phenolharz zu synthetisieren. Der Einfluss der verschiedenen Substituenten am Silizium auf die Ausbildung des anorganischen Netzwerkes wurde mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Hybridmaterialien wurden mittels Nanoindentation analysiert. Das Tetra-n-butylammonium-bis(ortho-hydroxymethylphenolato)borat wurde gemeinsam mit 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] zu einem Hybridmaterial aus Siliziumdioxid, Boroxid und Phenolharz umgesetzt. Hier erfolgte die Aufklärung der molekularen Struktur neben der Festkörper-NMR-Spektroskopie vorwiegend mittels IR- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Die erhaltenen Materialien wurden mittels TGA-Messungen an Luft und UL94 hinsichtlich ihrer Eignung als Flammschutzmaterialien untersucht. Die Herstellung von Siliziumdioxid/Boroxid/Anisolharz-Hybridmaterialien gelang durch die Alternierende Simultane Zwillingspolymerisation von methoxysubstituierten Zwillingsmonomeren. Hierbei stand die Kombination von Monomeren mit unterschiedlichen Reaktivitäten bezüglich der Carbeniumionenstabilität und der pi-Nukleophilie im Vordergrund, um den Einfluss auf das Reaktionsverhalten und die Produktbildung zu untersuchen. Weiterhin wurden aus den Hybridmaterialien zudem poröse Kohlenstoffe und Oxide hergestellt und deren Eigenschaften mittels Stickstoffsorptionsmessungen analysiert.

The scope of this work is an in-depth investigation of dielectric mirror microcavities with central organic dye layers, which are preferably modified in at least one lateral dimension. The large quality factor of the planar resonator in conjunction with comparatively stable and spectrally broad emitting molecules allows for a detailed analysis of several aspects of microresonator systems. Their optical properties are analyzed both with transmission and luminescence measurements as well as in the lasing regime. The first part presents the resonant mode properties of planar and laterally structured microcavities. With the help of a high-resolution imaging micro-photoluminescence setup, working either in the spatial (near field) or vectorial (far field) regime, the polarization splitting is studied in a detuned microcavity, containing the dye 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSB-Cz) in a matrix of 4,4'-di(N-carbazolyl)- biphenyl (CBP). With the help of a thickness gradient, a relation between the large spectral distance of the cross-polarized states and the mode position within the stop band is investigated. In shadow-mask prepared, laterally restricted devices (5x5 µm2 square boxes), the three-dimensional confinement introduces sets of discrete modes, which experience a similar polarization splitting. The origin in this case is a different phase shift of electromagnetic waves during internal total reflection at a boundary. By using a concentration gradient planar microcavity sample of the dye 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-(dimethylamino)styryl)-4H-pyran (DCM) in a tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) matrix, the influence of the number of emitters on the lasing characteristics is subsequently analyzed. Depending on the pumping conditions, and thus the involvement of the Förster resonant energy transfer, an optimal composition is identified. After a qualitative evaluation of the long-term stability upon various excitation energies, the attention is focussed to the modification of the stimulated emission properties of photonic boxes. The stronger field concentration and altered density of states leads to a significant improvement of the values for the coupling factor fi and the threshold levels. Furthermore, new properties arise, namely simultaneous multimode and off-axis laser emission. With an inhomogeneous excitation of the box, it is possible to selectively excite single modes above the threshold. The work ends with experimental results of metal structures as additional optical element in the organic microcavity layer. Here, the aim is is to understand the passive influence of these possible contact- devices on the lasing performance. For this purpose, the lasing is studied at an interface of an areal thin metal layer, which is incorporated in the organic layer.:List of publication Introduction Optical properties of dielectric microresonator systems Sample fabrication and characterization Resonant mode properties of dielectric mirror microcavities Lasing from laterally modified organic cavity systems Conclusion and outlook Bibliography

Amino-functionalized organic–inorganic hybrid materials with a narrow distributed nanostructure of 2–4 nm in size were obtained by means of a template-free and non-aqueous procedure. Simultaneous twin polymerization of novel amino group containing twin monomers with 2,2′-spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasiline] has been applied for this purpose. The amino groups of the organic–inorganic hybrid material are useful for post derivatization. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.