Thin nanostructured crystalline TiO 2 films and their applications in solar cells

Research on thin nanostructured crystalline TiO2 films has attracted considerable interests because of their intriguing physical properties and potential applications in photovoltaics. Nanostructured TiO2 film plays an important role in the TiO2 based dye-sensitized solar cells because they act as a substrate for the adsorption of dye molecules and a matrix for the transportation of electrons as well. Thus they can influence the solar cell performance significantly. Consequently, the control of the morphology including the shape, size and size distribution of the TiO2 nanostructures is critical to tune and optimize the performance of the solar cells. To control the TiO2 morphology, a strategy using amphiphilic block copolymer as templating agent coupled with sol-gel chemistry has been applied. Especially, a good-poor solvent pair induced phase separation process has been developed to guide the microphase separation behavior of the block copolymers. The amphiphilic block copolymers used include polystyrene-block-poly (ethylene oxide) (PS-b-PEO), poly (methyl methacrylate)-block-poly (ethylene oxide) (PMMA-b-PEO), and poly (ethylene oxide)-block-polystyrene-block-poly (ethylene oxide) (PEO-b-PS-b-PEO). The block copolymer undergoes a good-poor-solvent pair induced phase separation in a mixed solution of 1, 4-dioxane or N, N’-dimethyl formamide (DMF), concentrated hydrochloric acid (HCl) and Titanium tetraisopropoxide (TTIP). Specifically, in the system of PS-b-PEO, a morphology phase diagram of the inorganic-copolymer composite films was mapped by adjusting the weight fractions among 1, 4-dioxane, HCl, and TTIP in solution. The amorphous TiO2 within the titania-block copolymer composite films was crystallized by calcination at temperatures above 400C, where the organic block copolymer was simultaneously burned away. This strategy is further extended to other amphiphilic block copolymers of PMMA-b-PEO and PEO-b-PS-b-PEO, where the morphology of TiO2 films can also be controlled. The local and long range structures of the titania films were investigated by the combination of imaging techniques (AFM, SEM) and x-ray scattering techniques (x-ray reflectivity and grazing incidence small-angle x-ray scattering). Based on the knowledge of the morphology control, the crystalline TiO2 nanostructured films with different morphologies were introduced into solid state dye-sensitized solar cells. It has been found that all of the morphologies help to improve the performance of the solar cells. Especially, clustered nanoparticles, worm-like structures, foam-like structures, large collapsed nanovesicles show more pronounced performance improvement than other morphologies such as nanowires, flakes, and nanogranulars.

Nanoscale effects and applications of self-organized nanostructured thin films

A nanostructured thin film is a thin material layer, usually supported by a (solid) substrate, which possesses subdomains with characteristic nanoscale dimensions (10 ~ 100 nm) that are differentiated by their material properties. Such films have captured vast research interest because the dimensions and the morphology of the nanostructure introduce new possibilities to manipulating chemical and physical properties not found in bulk materials. Block copolymer (BCP) self-assembly, and anodization to form nanoporous anodic aluminium oxide (AAO), are two different methods for generating nanostructures by self-organization. Using poly(styrene-block-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) nanopatterned thin films, it is demonstrated that these polymer nanopatterns can be used to study the influence of nanoscale features on protein-surface interactions. Moreover, a method for the directed assembly of adsorbed protein nanoarrays, based on the nanoscale juxtaposition of the BCP surface domains, is also demonstrated. Studies on protein-nanopattern interactions may inform the design of biomaterials, biosensors, and relevant cell-surface experiments that make use of nanoscale structures. In addition, PS-b-PMMA and AAO thin films are also demonstrated for use as optical waveguides at visible wavelengths. Due to the sub-wavelength nature of the nanostructures, scattering losses are minimized, and the optical response is amenable to analysis with effective medium theory (EMT). Optical waveguide measurements and EMT analysis of the films’ optical anisotropy enabled the in situ characterization of the PS-b-PMMA nanostructure, and a variety of surface processes within the nanoporous AAO involving (bio)macromolecules at high sensitivity.

Noble-metal nanoparticles produced with colloidal lithography: fabrication, optical properties and applications

In this work, metal nanoparticles produced by nanosphere lithography were studied in terms of their optical properties (in connection to their plasmon resonances), their potential application in sensing platforms - for thin layer sensing and bio-recognition events -, and for a particular case (the nanocrescents), for enhanced spectroscopy studies. The general preparation procedures introduced early in 2005 by Shumaker-Parry et al. to produce metallic nanocrescents were extended to give rise to more complex (isolated) structures, and also, by combining colloidal monolayer fabrication and plasma etching techniques, to arrays of them. The fabrication methods presented in this work were extended not only to new shapes or arrangements of particles, but included also a targeted surface tailoring of the substrates and the structures, using different thiol and silane compounds as linkers for further attachment of, i.e. polyelectrolyte layers, which allow for a controlled tailoring of their nanoenvironment. The optical properties of the nanocrescents were studied with conventional transmission spectroscopy; a simple multipole model was adapted to explain their behaviour qualitatively. In terms of applications, the results on thin film sensing using these particles show that the crescents present an interesting mode-dependent sensitivity and spatial extension. Parallel to this, the penetrations depths were modeled with two simplified schemes, obtaining good agreement with theory. The multiple modes of the particles with their characteristic decay lengths and sensitivities represent a major improvement for particle-sensing platforms compared to previous single resonance systems. The nanocrescents were also used to alter the emission properties of fluorophores placed close to them. In this work, green emitting dyes were placed at controlled distances from the structures and excited using a pulsed laser emitting in the near infrared. The fluorescence signal obtained in this manner should be connected to a two-photon processes triggered by these structures; obtaining first insight into plasmon-mediated enhancement phenomena. An even simpler and faster approach to produce plasmonic structures than that for the crescents was tested. Metallic nanodiscs and nanoellipses were produced by means of nanosphere lithography, extending a procedure reported in the literature to new shapes and optical properties. The optical properties of these particles were characterized by extinction spectroscopy and compared to results from the literature. Their major advantage is that they present a polarization-dependent response, like the nanocrescents, but are much simpler to fabricate, and the resonances can be tailored in the visible with relative ease. The sensing capabilities of the metallic nanodiscs were explored in the same manner as for the nanocrescents, meaning their response to thin layers and to bio-recognition events on their surface. The sensitivity of these nanostructures to thin films proved to be lower than that of the crescents, though in the same order of magnitude. Experimental information about the near field extension for the Au nanodiscs of different sizes was also extracted from these measurements. Further resonance-tailoring approaches based on electrochemical deposition of metals on the nanodiscs were explored, as a means of modifying plasmon resonances by changing surface properties of the nanoparticles. First results on these experiments would indicate that the deposition of Ag on Au on a submonolayer coverage level can lead to important blue-shifts in the resonances, which would open a simple way to tailor resonances by changing material properties in a local manner.

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Thin films of polythiophene: Linear and nonlinear optical characterization

Wir haben die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von dünnen Schichten und planaren Wellenleitern aus mehreren konjugierten Polymeren (MEH-PPV und P3AT) und Polymeren mit -Elektronen Systemen in der Seitenkette (PVK und PS) untersucht und verglichen. PVK und PS haben relativ kleine Werte des nichtlinearen Brechungsindex n2 bei 532 nm, nämlich (1,2 ± 0,5)10-14 cm2/W und (2,6 ± 0,5) 10-14 cm2/W.rnWir haben die linearen optischen Konstanten von mehreren P3ATs untersucht, insbesondere den Einfluss der Regioregularität und Kettenlänge der Alkylsubstituenten. Wir haben das am besten geeignete Polymere für Wellenleiter Anwendungen identifiziert, welches P3BT-ra genannt ist. Wir haben die linearen optischen Eigenschaften dünner Schichten des P3BT-ra untersucht, die mit Spincoating aus verschiedenen Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen präparieret wurden. Wir haben festgestellt, dass P3BT-ra Filme aus Toluol-Lösungen die am besten geeigneten Wellenleiter für die intensitätsabhängigen Prismen-Kopplungs Experimente sind, weil diese geringe Wellenleiterdämpfungsverluste bei = 1064 nm haben. rnWir haben die Dispersionen des Wellenleiterdämfungsverlustes gw, des nichtlinearen Brechungsindex n2 und des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten 2 von Wellenleitern aus P3BT-ra im Bereich von 700 - 1500 nm gemessen. Wir haben große Werte des nichtlinearen Brechungsindex bis 1,5x10-13 cm2/W bei 1150 nm beobachtet. Wir haben gefunden, dass die Gütenkriterien (“figures of merit“) für rein optische Schalter im Wellenlängebereich 1050 - 1200 nm erfüllt sind. Dieser Bereich entspricht dem niederenergetischen Ausläufer der Zwei-Photonen-Absorption. Die Gütekriterien von P3BT-ra gehören zu den besten der bisher bekannten Werte von konjugierten Polymeren.rnWir haben gefunden, dass P3BT-ra ein vielversprechender Kandidat für integriert-optische Schalter ist, weil es eine gute Kombination aus großer Nichtlinearität dritter Ordnung, geringen Wellenleiterdämpfungverlusten und ausreichender Photostabilität zeigt. rnWir haben einen Vergleich der gemessenen Dispersion von gw, n2 und 2 mit der Theorie durchgeführt. Durch Kurvenanpassung der Dispersion von gw haben wir gefunden, dass Rayleigh-Streuung der dominierende Dämpfungsmechanismus in MEH-PPV und P3BT-ra Wellenleitern ist. Ein quantenmechanischer Ansatz wurde zur Berechnung der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung (3) verwendet, um die gemessenen Spektren von n2 und 2 von P3BT-ra und MEH-PPV zu simulieren. Dies kann erklären, dass sättigbare Absorption und Zwei-Photonen Absorption die hauptsächlichen Effekte sind, welche die Dispersion von n2 und 2 verursachen. rn

Microstructure of epitaxial thin films of the ferromagnetic shape memory alloy Ni 2 MnGa

Gegenstand dieser Arbeit ist die Präparation und die ausführliche Charakterisierung epitaktischer Dünnschicht-Proben der Heusler Verbindung Ni2MnGa. Diese intermetallische Verbindung zeigt einen magnetischen Formgedächtnis-Effekt (MFG), der sowohl im Bezug auf mögliche Anwendungen, als auch im Kontext der Grundlagenforschung äußerst interessant ist. In Einkristallen nahe der Stöchiometrie Ni2MnGa wurden riesige magnetfeldinduzierte Dehnungen von bis zu 10 % nachgewiesen. Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf einer Umverteilung von kristallographischen Zwillings-Varianten, die eine tetragonale oder orthorhombische Symmetrie besitzen. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Zwillingsgrenzen durch den Kristall, was eine makroskopische Formänderung mit sich bringt. Die somit erzeugten reversiblen Längenänderungen können mit hoher Frequenz geschaltet werden, was Ni2MnGa zu einem vielversprechenden Aktuatorwerkstoff macht. rnDa der Effekt auf einem intrinsischen Prozess beruht, eignen sich Bauteile aus MFG Legierungen zur Integration in Mikrosystemen (z.B. im Bereich der Mikrofluidik). rnrnBislang konnten große magnetfeldinduzierte Dehnungen nur für Einkristalle und Polykristalle mit hoher Porosität („foams") nachgewiesen werden. Um den Effekt für Anwendungen nutzbar zu machen, werden allerdings Konzepte zur Miniaturisierung benötigt. Eine Möglichkeit bieten epitaktische dünne Filme, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und untersucht werden sollen. Im Fokus stehen dabei die Optimierung der Herstellungsparameter, sowie die Präparation von freitragenden Schichten. Zudem werden verschiedene Konzepte zur Herstellung freistehender Mikrostrukturen erprobt. Mittels Röntgendiffraktometrie konnte die komplizierte Kristallstruktur für verschiedene Wachstumsrichtungen verstanden und die genaue Verteilung der Zwillingsvarianten aufgedeckt werden. In Verbindung mit Mikroskopie-Methoden konnte so die Zwillingsstruktur auf verschiedenen Längenskalen geklärt werden. Die Ergebnisse erklären das Ausbleiben des MFG Effekts in den Proben mit (100) Orientierung. Andererseits wurde für Schichten mit (110) Wachstum eine vielversprechende Mikrostruktur entdeckt, die einen guten Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen bietet.rnDurch die spezielle Geometrie der Proben war es möglich, Spektroskopie-Experimente in Transmission durchzuführen. Die Ergebnisse stellen den ersten experimentellen Nachweis der Änderungen in der elektronischen Struktur einer metallischen Verbindung während des martensitischen Phasenübergangs dar. Durch Messen des magnetischen Zirkulardichroismus in der Röntgenabsorption konnten quantitative Aussagen über die magnetischen Momente von Ni und Mn getroffen werden. Die Methode erlaubt überdies die Beiträge von Spin- und Bahn-Moment separat zu bestimmen. Durch winkelabhängige Messungen gelang es, die mikroskopische Ursache der magnetischen Anisotropie aufzuklären. Diese Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der komplexen magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Ni2MnGa bei.rn

Hard x-ray photoelectron spectroscopy of bulk and thin films of Heusler compounds

X-ray photoemission spectroscopy (XPS) is one of the most universal and powerful tools for investigation of chemical states and electronic structures of materials. The application of hard x-rays increases the inelastic mean free path of the emitted electrons within the solid and thus makes hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) a bulk sensitive probe for solid state research and especially a very effective nondestructive technique to study buried layers.rnThis thesis focuses on the investigation of multilayer structures, used in magnetic tunnel junctions (MTJs), by a number of techniques applying HAXPES. MTJs are the most important components of novel nanoscale devices employed in spintronics. rnThe investigation and deep understanding of the mechanisms responsible for the high performance of such devices and properties of employed magnetic materials that are, in turn, defined by their electronic structure becomes feasible applying HAXPES. Thus the process of B diffusion in CoFeB-based MTJs was investigated with respect to the annealing temperature and its influence on the changes in the electronic structure of CoFeB electrodes that clarify the behaviour and huge TMR ratio values obtained in such devices. These results are presented in chapter 6. The results of investigation of the changes in the valence states of buried off-stoichiometric Co2MnSi electrodes were investigated with respect to the Mn content α and its influence on the observed TMR ratio are described in chapter 7.rnrnMagnetoelectronic properties such as exchange splitting in ferromagnetic materials as well as the macroscopic magnetic ordering can be studied by magnetic circular dichroism in photoemission (MCDAD). It is characterized by the appearance of an asymmetry in the photoemission spectra taken either from the magnetized sample with the reversal of the photon helicity or by reversal of magnetization direction of the sample when the photon helicity direction is fixed. Though recently it has been widely applied for the characterization of surfaces using low energy photons, the bulk properties have stayed inaccessible. Therefore in this work this method was integrated to HAXPES to provide an access to exploration of magnetic phenomena in the buried layers of the complex multilayer structures. Chapter 8 contains the results of the MCDAD measurements employing hard x-rays for exploration of magnetic properties of the common CoFe-based band-ferromagnets as well as half-metallic ferromagnet Co2FeAl-based MTJs.rnrnInasmuch as the magnetoresistive characteristics in spintronic devices are fully defined by the electron spins of ferromagnetic materials their direct measurements always attracted much attention but up to date have been limited by the surface sensitivity of the developed techniques. Chapter 9 presents the results on the successfully performed spin-resolved HAXPES experiment using a spin polarimeter of the SPLEED-type on a buried Co2FeAl0.5Si0.5 magnetic layer. The measurements prove that a spin polarization of about 50 % is retained during the transmission of the photoelectrons emitted from the Fe 2p3/2 state through a 3-nm-thick oxide capping layer.rn

Stress & structure of thin polymer brush films

Polymer brushes have unique properties with a large variety of possible applications ranging from responsive coatings and drug delivery to lubrication and sensing. For further development a detailed understanding of the properties is needed. Established characterization methods, however, only supply information of the surface. Experimental data about the inner “bulk” structure of polymer brushes is still missing.rnScattering methods under grazing incidence supply structural information of surfaces as well as structures beneath it. Nanomechanical cantilevers supply stress data, which is giving information about the forces acting inside the polymer brush film. In this thesis these two techniques are further developed and used to deepen the understanding of polymer brushes. rnThe experimental work is divided into four chapters. Chapter 2 deals with the preparation of polymer brushes on top of nanomechanical cantilever sensors as well as large area sample by using a “grafting-to” technique. The further development of nanomechanical cantilever readout is subject of chapter 3. In order to simplify cantilever sensing, a method is investigated which allows one to perform multiple bending experiments on top of a single cantilever. To do so, a way to correlate different curvatures is introduced as well as a way to conveniently locate differently coated segments. In chapter 4 the change in structure upon solvent treatment of mixed polymer brushes is investigated by using scattering methods and nanomechanical cantilevers amongst others. This allows one to explain the domain memory effect, which is typically found in such systems. Chapter 5 describes the implementation of a phase shifting interferometer - used for readout of nanomechanical cantilevers - into the µ-focused scattering beamline BW4, allowing simultaneous measurements of stress and structure information. The last experimental chapter 6 deals with the roughness correlation in polymer brushes and its dependence on the chain tethered density.rnIn summary, the thesis deals with utilization of new experimental techniques for the investigation of polymer brushes and further development of the techniques themselves.rn

Thermoelectric properties of TiNiSn and Zr 0.5 Hf 0.5 NiSn thin films and superlattices with reduced thermal conductivities

Durch steigende Energiekosten und erhöhte CO2 Emission ist die Forschung an thermoelektrischen (TE) Materialien in den Fokus gerückt. Die Eignung eines Materials für die Verwendung in einem TE Modul ist verknüpft mit der Gütezahl ZT und entspricht α2σTκ-1 (Seebeck Koeffizient α, Leitfähigkeit σ, Temperatur T und thermische Leitfähigkeit κ). Ohne den Leistungsfaktor α2σ zu verändern, soll ZT durch Senkung der thermischen Leitfähigkeit mittels Nanostrukturierung angehoben werden.rnBis heute sind die TE Eigenschaften von den makroskopischen halb-Heusler Materialen TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn ausgiebig erforscht worden. Mit Hilfe von dc Magnetron-Sputterdeposition wurden nun erstmals halbleitende TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn Schichten hergestellt. Auf MgO (100) Substraten sind stark texturierte polykristalline Schichten bei Substrattemperaturen von 450°C abgeschieden worden. Senkrecht zur Oberfläche haben sich Korngrößen von 55 nm feststellen lassen. Diese haben Halbwertsbreiten bei Rockingkurven von unter 1° aufgewiesen. Strukturanalysen sind mit Hilfe von Röntgenbeugungsexperimenten (XRD) durchgeführt worden. Durch Wachstumsraten von 1 nms 1 konnten in kürzester Zeit Filmdicken von mehr als einem µm hergestellt werden. TiNiSn zeigte den höchsten Leistungsfaktor von 0.4 mWK 2m 1 (550 K). Zusätzlich wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe der differentiellen 3ω Methode eine thermische Leitfähigkeit von 2.8 Wm 1K 1 bestimmt. Es ist bekannt, dass die thermische Leitfähigkeit mit der Variation von Massen abnimmt. Weil zudem angenommen wird, dass sie durch Grenzflächenstreuung von Phononen ebenfalls reduziert wird, wurden Übergitter hergestellt. Dabei wurden TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn nacheinander abgeschieden. Die sehr hohe Kristallqualität der Übergitter mit ihren scharfen Grenzflächen konnte durch Satellitenpeaks und Transmissionsmikroskopie (STEM) nachgewiesen werden. Für ein Übergitter mit einer Periodizität von 21 nm (TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn jeweils 10.5 nm) ist bei einer Temperatur von 550 K ein Leistungsfaktor von 0.77 mWK 2m 1 nachgewiesen worden (α = 80 µVK 1; σ = 8.2 µΩm). Ein Übergitter mit der Periodizität von 8 nm hat senkrecht zu den Grenzflächen eine thermische Leitfähigkeit von 1 Wm 1K 1 aufgewiesen. Damit hat sich die Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit durch die halb-Heusler Übergitter bestätigt. Durch die isoelektronischen Eigenschaften von Titan, Zirkonium und Hafnium wird angenommen, dass die elektrische Bandstruktur und damit der Leistungsfaktor senkrecht zu den Grenzflächen nur schwach beeinflusst wird.rn