Mit Hilfe von linearer und nichtlinearer Infrarotspektroskopie im Femtosekundenbereich wurden Schwingungsdynamiken von H2PO4- und BH4- Ionen untersucht sowie ein Volumenplasmon in einem Schichtsystem aus Ga-dotiertem ZnO. Phosphatgruppen stellen Hydratisierungsstellen in Biomolekülen wie DNS oder Phospholipiden dar und wechselwirken intensiv mit wässrigen Solvatationsschalen. Die Untersuchung einer isolierten Phosphatgruppe in Wasser, dem Phosphation H2PO4-, hat ergeben, dass Phosphatschwingungen sehr sensitive Sonden für die ausgeprägte Fluktuationsdynamik von Volumenwasser darstellen, was experimentell mit homogen verbreiterten Linienformen nachgewiesen werden konnte. Komplexe Hydride wie NaBH4 werden wegen ihres großen Wasserstoffgehalts als potenzielle Wasserstoff- bzw. Energieträger für mobile Anwendungen diskutiert. Jedoch ist die Wasserstoffabsorption- bzw. emission energieaufwendig. Für ein detailliertes Verständnis der Wasserstoffdynamiken im BH4- Tetraeder wurden die Energieverlustkanäle nach optischer Anregung von B-H Schwingungen untersucht. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass eine Energieumverteilung von hoch- zu niederfrequenten B-H Schwingungen stattfindet mit abschließender Dissipation in das umgebende Medium, z.B. ein Lösungsmittel oder ein NaBH4 Festkörper. Volumenplasmonen repräsentieren kollektive, longitudinale Anregungen eines freien Elektronengases in ionischen oder polaren Kristallstrukturen. In einer hoch Ga-dotierten ZnO-Schicht eines speziellen Schichtsystems konnte eine Volumenplasmon in Reflektionsgeometrie optisch angeregt werden. Dabei führte Intrabandanregung von Leitungsbandelektronen zur Erhitzung des Elektronengases und, durch das nichtparabolische ZnO-Leitungsband, zu einer Erhöhung der effektiven Elektronenmasse und damit zu einer Rotverschiebung der Plasmafrequenz auf einer sub-ps Zeitskala. Damit konnte ein Mechanismus aufgezeigt werden, um Plasmafrequenzen von Volumenplasmonen gezielt transient zu kontrollieren. / The vibrational dynamics of H2PO4- and BH4- ions and a bulk plasmon in Ga-doped ZnO were studied with methods of linear and nonlinear infrared spectroscopy in the femtosecond range. Phosphates constitute the major hydration sites of biomolecules such as DNA or phospholipds and, thus, strongly interact with aqueous hydrations shells. The investigation of isolated phosphate ions (H2PO4-) revealed a distinct sensitivity of phosphate vibrations on the fluctuation dynamics of bulk water that could be experimentally shown by homogeneously broadened line shapes of phosphate vibrations. Complex hydrides such as NaBH4 constitute a large hydrogen content and, accordingly, are discussed as energy- and hydrogen carriers for mobile applications. However, hydrogen uptake and release are energetically unfavourable. In order to gain detailed insights into hydrogen dynamics within the BH4- tetrahedrons energy relaxation mechanisms were studied after optical excitation of B-H vibrations. It could be experimentally shown that energy dissipation proceeds from high-frequency to low-frequency B-H vibrations into the heat bath of the environment, such as e.g. a liquid solvent or the solid state NaBH4. Bulk plasmons represent collective, longitudinal excitations of a free electron gas in an ionic or polar crystal. Within a specifically designed system of Ga-doped ZnO layers, a bulk plasmon could be optically excited in a reflection geometry. Intraband excitation of conduction band electrons resulted in a heating of the electron gas. Due to a non-parabolic ZnO conduction band hot electrons exhibit an increased effective electron mass and, thereby, reduce the plasma frequency. A redshift of the bulk plasma frequency that possesses sub-ps dynamics could be experimentally shown which represents a mechanism for the time-dependent control of plasma frequencies.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/18225 |
| Date | 29 July 2016 |
| Creators | Tyborski, Tobias |
| Contributors | Elsässer, Thomas, Benson, Oliver, Hamm, Peter |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/de/ |
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