dc.contributor.author
Pohl, Vincent
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:59:02Z
dc.date.available
2017-11-09T09:28:15.429Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/11284
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-15482
dc.description.abstract
The analysis and visualization of electron dynamics in molecular systems
represents an effective means to gain deeper understanding of various physical
and chemical processes. For this purpose, this theoretical-chemical
dissertation aims at the development of general analysis tools (detCI@ORBKIT)
and new theoretical methods (“Born-Oppenheimer Broken Symmetry” ansatz),
focusing on the different components of the electronic continuity equation.
This fundamental relation connects the electron density with the electronic
flux density, or electronic current density. While the former is a scalar
field, which defines the probability distribution of the electrons, the latter
is a vector field describing the instantaneous and spatially resolved flow of
electrons. The robustness and scalability of the developed methodological
framework is first benchmarked, before it is subsequently applied to various
fields. In chemistry, curved arrows are drawn at Lewis structures to symbolize
the electron movement during chemical reactions. In the first application,
this simple model is elucidated by means of quantum dynamics exemplary for the
benzene molecule. For this purpose, different localized electronic
superposition states are prepared by laser excitation initiating charge
migration in the attosecond time regime. The analysis of the time evolution of
the electron density reveals that, in the investigated cases, the electrons
follow a pincer-type mechanism and that, in contrast to the predictions by the
simple traditional model, a very small number of electrons is transported.
Interestingly, the laser preparation phase is observed to play an important
role in the patterns of charge migration. The last part of this dissertation
is devoted to electron dynamics in a graphene-based molecular nanojunction. By
applying dissipative quantum dynamics, it is demonstrated that this
nanostructure can be reliably switched by a static electric field in the
spirit of a traditional field effect transistor. The subsequent investigation
of the electronic flux density for both conformers yields an intuitive picture
of the charge migration mechanism and reveals a possible route to optimize the
structure of the nanojunction. The main conclusions of my doctoral studies can
be summarized as follows: While the analysis of the electron density allows
quantitative statements about reaction mechanisms, the electronic flux density
gives a direct and intuitive insight into the exact course of chemical
reactions. The gained dynamical information not only significantly contributes
to the understanding of chemical mechanisms, but can also help to optimize the
functionality of the devices under investigation.
de
dc.description.abstract
Die Analyse und Visualisierung von Elektronendynamik in molekularen Systemen
stellt ein effektives Mittel dar, um ein tiefer gehendes Verständnis über
verschiedenste physikalische und chemische Prozesse zu gewinnen. Um dies zu
ermöglichen, werden in dieser theoretisch-chemischen Doktorarbeit allgemeine
Analysewerkzeuge (detCI@ORBKIT) und neue theoretische Methoden („Born-
Oppenheimer Broken Symmetry“ Ansatz) erarbeitet. Dabei wird der Schwerpunkt
auf die verschiedenen Komponenten der elektronischen Kontinuitätsgleichung
gelegt. Diese fundamentale Gleichung verbindet das Skalarfeld der
Elektronendichte, die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen
definiert, mit dem Vektorfeld der Elektronenflussdichte oder
Elektronenstromdichte, welche den instantanen und ortsaufgelösten
Elektronenfluss beschreibt. Der entwickelte methodische Rahmen wird zunächst
auf seine Robustheit und Skalierbarkeit hin untersucht, bevor er anschließend
produktiv in verschiedenen Bereichen eingesetzt wird. In der Chemie werden
gebogenen Pfeile an Lewisstrukturen skizziert, um die Elektronenbewegung
während chemischer Reaktionen zu symbolisieren. Im ersten Anwendungsbereich
wird dieses einfache Modell mit quantendynamischen Mitteln am Beispiel des
Benzolmoleküls näher beleuchtet. Mittels Laseranregung werden hierfür zunächst
verschiedene lokalisierte elektronische Superpositionszustände erzeugt, was
jeweils eine Ladungsmigration im Attosekundenbereich zur Folge hat. Analysen
der Dynamik der Elektronendichte verdeutlichen, dass die Elektronen in den
untersuchten Fällen einem zangenartigen Mechanismus folgen und dass wesentlich
weniger Elektronen fließen als durch das einfache Modell vorhergesagt.
Interessanterweise, wird beobachtet, dass die Laserpräparationsphase einen
großen Einfluss auf die Flussmuster während der Ladungsmigration haben kann.
Der letzte Teil dieser Dissertation widmet sich der Elektronendynamik in einem
graphenbasierten molekularen Nanoschalter. Zunächst wird mittels dissipativer
Quantendynamik demonstriert, dass die Nanostruktur ähnlich eines
traditionellen Feldeffekttransistors durch ein statisches elektrisches Feld
zuverlässig geschaltet werden kann. Die nachfolgende Untersuchung der
Elektronenflussdichte in beiden Konformeren zeigt anschaulich den
Ladungsmigrationsmechanismus und offenbart einen möglichen Optimierungsweg
hinsichtlich der Struktur des Nanoschalters. Die Hauptaussagen meines
Promotionsstudiums lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Während die
Analyse der Elektronendichte quantitative Aussagen über Reaktionsmechanismen
erlaubt, gibt die Elektronenflussdichte einen direkten und intuitiven Einblick
in deren genaue Abläufe. Die gewonnenen dynamischen Informationen tragen nicht
nur signifikant zum Verständnis der Mechanismen bei, sondern können auch dabei
helfen die Funktionalität der untersuchten Geräte zu optimieren.
de
dc.format.extent
xiii, 174 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Quantum Chemistry
dc.subject
Quantum Dynamics
dc.subject
Electronic Motion
dc.subject
Electronic Flux Density
dc.subject
Electronic Current Density
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
dc.title
Electronic Motion in Molecular Systems: From the Hydrogen Molecular Ion to
Nanostructures
dc.contributor.contact
v.pohl@fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Jean Christophe Tremblay, Ph.D.
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Beate Paulus
dc.date.accepted
2017-11-01
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000105864-7
dc.title.translated
Elektronische Bewegung in molekularen Systemen: Vom Wasserstoff-Molekülion zu
Nanostrukturen
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000105864
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000022710
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access