Nanoscopic studies of conjugated polymer blends by (electric) scanning probe microscopy

Conjugated polymers and conjugated polymer blends have attracted great interest due to their potential applications in biosensors and organic electronics. The sub-100 nm morphology of these materials is known to heavily influence their electromechanical properties and the performance of devices they are part of. Electromechanical properties include charge injection, transport, recombination, and trapping, the phase behavior and the mechanical robustness of polymers and blends. Electrical scanning probe microscopy techniques are ideal tools to measure simultaneously electric (conductivity and surface potential) and dielectric (dielectric constant) properties, surface morphology, and mechanical properties of thin films of conjugated polymers and their blends.rnIn this thesis, I first present a combined topography, Kelvin probe force microscopy (KPFM), and scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) study on a gold/polystyrene model system. This system is a mimic for conjugated polymer blends where conductive domains (gold nanoparticles) are embedded in a non-conductive matrix (polystyrene film), like for polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). I controlled the nanoscale morphology of the model by varying the distribution of gold nanoparticles in the polystyrene films. I studied the influence of different morphologies on the surface potential measured by KPFM and on the conductivity measured by SCTMM. By the knowledge I gained from analyzing the data of the model system I was able to predict the nanostructure of a homemade PPy:PSS blend.rnThe morphologic, electric, and dielectric properties of water based conjugated polymer blends, e.g. PPy:PSS or PEDOT:PSS, are known to be influenced by their water content. These properties also influence the macroscopic performance when the polymer blends are employed in a device. In the second part I therefore present an in situ humidity-dependence study on PPy:PSS films spin-coated and drop-coated on hydrophobic highly ordered pyrolytic graphite substrates by KPFM. I additionally used a particular KPFM mode that detects the second harmonic electrostatic force. With this, I obtained images of dielectric constants of samples. Upon increasing relative humidity, the surface morphology and composition of the films changed. I also observed that relative humidity affected thermally unannealed and annealed PPy:PSS films differently. rnThe conductivity of a conjugated polymer may change once it is embedded in a non-conductive matrix, like for PPy embedded in PSS. To measure the conductivity of single conjugated polymer particles, in the third part, I present a direct method based on microscopic four-point probes. I started with metal core-shell and metal bulk particles as models, and measured their conductivities. The study could be extended to measure conductivity of single PPy particles (core-shell and bulk) with a diameter of a few micrometers.

Electrical scanning probe microscopy on organic optoelectronic structures

In the field of organic optoelectronics, the nanoscale structure of the materials has huge im-pact on the device performance. Here, scanning force microscopy (SFM) techniques become increasingly important. In addition to topographic information, various surface properties can be recorded on a nanometer length scale, such as electrical conductivity (conductive scanning force microscopy, C-SFM) and surface potential (Kelvin probe force microscopy, KPFM).rnrnIn the context of this work, the electrical SFM modes were applied to study the interplay be-tween morphology and electrical properties in hybrid optoelectronic structures, developed in the group of Prof. J. Gutmann (MPI-P Mainz). In particular, I investigated the working prin-ciple of a novel integrated electron blocking layer system. A structure of electrically conduct-ing pathways along crystalline TiO2 particles in an insulating matrix of a polymer derived ceramic was found and insulating defect structures could be identified. In order to get insights into the internal structure of a device I investigated a working hybrid solar cell by preparing a cross cut with focused ion beam polishing. With C-SFM, the functional layers could be identified and the charge transport properties of the novel active layer composite material could be studied. rnrnIn C-SFM, soft surfaces can be permanently damaged by (i) tip induced forces, (ii) high elec-tric fields and (iii) high current densities close to the SFM-tip. Thus, an alternative operation based on torsion mode topography imaging in combination with current mapping was intro-duced. In torsion mode, the SFM-tip vibrates laterally and in close proximity to the sample surface. Thus, an electrical contact between tip and sample can be established. In a series of reference experiments on standard surfaces, the working mechanism of scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) was investigated. Moreover, I studied samples covered with free standing semiconducting polymer nano-pillars that were developed in the group of Dr. P. Theato (University Mainz). The application of SCTMM allowed non-destructive imag-ing of the flexible surface at high resolution while measuring the conductance on individual pillarsrnrnIn order to study light induced electrical effects on the level of single nanostructures, a new SFM setup was built. It is equipped with a laser sample illumination and placed in inert at-mosphere. With this photoelectric SFM, I investigated the light induced response in function-alized nanorods that were developed in the group of Prof. R. Zentel (University Mainz). A block-copolymer containing an anchor block and dye moiety and a semiconducting conju-gated polymer moiety was synthesized and covalently bound to ZnO nanorods. This system forms an electron donor/acceptor interface and can thus be seen as a model system of a solar cell on the nanoscale. With a KPFM study on the illuminated samples, the light induced charge separation between the nanorod and the polymeric corona could not only be visualized, but also quantified.rnrnThe results demonstrate that electrical scanning force microscopy can study fundamental processes in nanostructures and give invaluable feedback to the synthetic chemists for the optimization of functional nanomaterials.rn

Studies of degradation of organic solar cell materials using electrical scanning probe microscopy

Intense research is being done in the field of organic photovoltaics in order to synthesize low band-gap organic molecules. These molecules are electron donors which feature in combination with acceptor molecules, typically fullerene derivarntives, forming an active blend. This active blend has phase separated bicontinuous morphology on a nanometer scale. The highest recorded power conversionrnefficiencies for such cells have been 10.6%. Organic semiconductors differ from inorganic ones due to the presence of tightly bonded excitons (electron-hole pairs)resulting from their low dielectric constant (εr ≈2-4). An additional driving force is required to separate such Frenkel excitons since their binding energy (0.3-1 eV) is too large to be dissociated by an electric field alone. This additional driving force arises from the energy difference between the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor and the acceptor materials. Moreover, the efficiency of the cells also depends on the difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the donor and LUMO of the acceptor. Therefore, a precise control and estimation of these energy levels are required. Furthermore any external influences that change the energy levels will cause a degradation of the power conversion efficiency of organic solar cell materials. In particular, the role of photo-induced degradation on the morphology and electrical performance is a major contribution to degradation and needs to be understood on a nanometer scale. Scanning Probe Microscopy (SPM) offers the resolution to image the nanometer scale bicontinuous morphology. In addition SPM can be operated to measure the local contact potential difference (CPD) of materials from which energy levels in the materials can be derived. Thus SPM is an unique method for the characterization of surface morphology, potential changes and conductivity changes under operating conditions. In the present work, I describe investigations of organic photovoltaic materials upon photo-oxidation which is one of the major causes of degradation of these solar cell materials. SPM, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and UV-Vis spectroscopy studies allowed me to identify the chemical reactions occurring inside the active layer upon photo-oxidation. From the measured data, it was possible to deduce the energy levels and explain the various shifts which gave a better understanding of the physics of the device. In addition, I was able to quantify the degradation by correlating the local changes in the CPD and conductivity to the device characteristics, i.e., open circuit voltage and short circuit current. Furthermore, time-resolved electrostatic force microscopy (tr-EFM) allowed us to probe dynamic processes like the charging rate of the individual donor and acceptor domains within the active blend. Upon photo-oxidation, it was observed, that the acceptor molecules got oxidized first preventing the donor polymer from degrading. Work functions of electrodes can be tailored by modifying the interface with monomolecular thin layers of molecules which are made by a chemical reaction in liquids. These modifications in the work function are particularly attractive for opto-electronic devices whose performance depends on the band alignment between the electrodes and the active material. In order to measure the shift in work function on a nanometer scale, I used KPFM in situ, which means in liquids, to follow changes in the work function of Au upon hexadecanethiol adsorption from decane. All the above investigations give us a better understanding of the photo-degradation processes of the active material at the nanoscale. Also, a method to compare various new materials used for organic solar cells for stability is proposed which eliminates the requirement to make fully functional devices saving time and additional engineering efforts.

Diffusion in heterogeneous systems studied by laser scanning confocal microscopy and fluorescence correlation spectroscopy

Understanding and controlling the mechanism of the diffusion of small molecules, macromolecules and nanoparticles in heterogeneous environments is of paramount fundamental and technological importance. The aim of the thesis is to show, how by studying the tracer diffusion in complex systems, one can obtain information about the tracer itself, and the system where the tracer is diffusing. rnIn the first part of my thesis I will introduce the Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) which is a powerful tool to investigate the diffusion of fluorescent species in various environments. By using the main advantage of FCS namely the very small probing volume (<1µm3) I was able to track the kinetics of phase separation in polymer blends at late stages by looking on the molecular tracer diffusion in individual domains of the heterogeneous structure of the blend. The phase separation process at intermediate stages was monitored with laser scanning confocal microscopy (LSCM) in real time providing images of droplet coalescence and growth. rnIn a further project described in my thesis I will show that even when the length scale of the heterogeneities becomes smaller than the FCS probing volume one can still obtain important microscopic information by studying small tracer diffusion. To do so, I will introduce a system of star shaped polymer solutions and will demonstrate that the mobility of small molecular tracers on microscopic level is nearly not affected by the transition of the polymer system to a “glassy” macroscopic state. rnIn the last part of the thesis I will introduce and describe a new stimuli responsive system which I have developed, that combines two levels of nanoporosity. The system is based on poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and silica inverse opals (iOpals), and allows controlling the diffusion of tracer molecules. rn

Strukturbildung in dünnen Filmen aus Mischungen statistischer Copolymere

Dünne Polymerfilme besitzen einen weiten Anwendungsbereich in vielen High-Tech Applikationen. All diese Anwendungen erfordern ein bestimmtes Anwendungsprofil des dünnen Films. Diese Anforderungen umschließen sowohl die physikalischen Eigenschaften des Films als auch seine Struktur. Um sie zu realisieren, werden oftmals Mischungsfilme aus verschiedenen Polymeren verwendet. Diese neigen jedoch in vielen Fällen zur bereits während der Präparation zu Phasenseparation.Vor diesem Hintergrund wurde untersucht welchen Einfluss die Verträglichkeit der gemischten Polymere auf die Strukturbildung des dünnen Films ausüben. Als Modellsystem hierfür dienten Mischungen statistischer Poly-styrol-stat-para brom-styrol Copolymere.Die Oberflächenstrukturen, die sich währen der Präparation der Mischungsfilme einstellten, wurden mit Rasterkraftmikroskopie untersucht. wobei die Topologie einer statistischen Analyse unterzogen wurde. Zum einen wurde hierzu die spektrale Leistungsdichte der Oberflächenkontour zum anderen die zugehörigen Minkowski-Funktionale berechnet.Neben Oberflächenstrukturen bilden sich während der Präparation auch Entmischungsstrukturen im inneren des Filmes. Zur Charakterisierung dieser Strukturen wurden die Filme durch Streuung unter streifendem Einfall untersucht. Durch eine modellfreie Interpretation der Streuexperimente gelang der Nachweis der inneren StrukturenFür nur schwach unverträglich Filme konnte auf Basis der Streuexperimente eine Replikation der Oberflächenstruktur des Substrates auf die Filmoberflächen nachgewiesen werden. Diese Replikation wurde für verschieden raue Substrate und bezueglich der Kinetik ihrer Abnahme beim Quellen der Filme untersucht.

An alternative blocking layer for titanium dioxide (TiO 2) solar cell applications

In hybrid organic solar cells a blocking layer between transparent electrode and nanocrystalline titania particles is essential to prevent short-circuiting and current loss through recombination at the electrode interface. Here the preparation of a uniform hybrid blocking layer which is composed of conducting titania nanoparticles embedded in an insulating polymer derived ceramic is presented. This blocking layer is prepared by sol-gel chemistry where an amphiphilic block copolymer is used as a templating agent. A novel poly(dimethylsiloxane) containing amphiphilic block copolymer poly(ethyleneglycol)methylethermethacrylate-block-poly(dimethylsiloxane)-block-poly(ethyleneglycol)methylethermethacrylate has been synthesized to act as the templating agent. Plasma treatment uncovered titania surface from any polymer. Annealing at 450°C under nitrogen resulted in anatase titania with polymer derived silicon oxycarbide ceramic. Electrical characterization by conductive scanning probe microscopy experiments revealed a percolating titania network separated by an insulating ceramic matrix. Scanning Kelvin probe force microscopy showed predominant presence of titania particles on the surface creating a large surface area for dye absorption. The uniformity of the percolating structures was proven by microbeam grazing incidence small angle x-ray scattering. First applications in hybrid organic solar cells in comparison with conventional titanium dioxide blocking layer containing devices revealed 15 fold increases in corresponding efficiencies. Poly(dimethylsiloxane)-block-poly(ethyleneglycol)methylethermethacrylate and poly(ethyleneoxide)-poly(dimethylsiloxane)methylmethacrylate diblock copolymers were also synthesized. Their titania nanocomposite films were compared with the integrated blocking layer. Liner poly(ethyleneoxide) containing diblock copolymer resulted in highly ordered foam like structures. The effect of heating temperature rise to 600°C and 1000°C on titania morphology was investigated by scanning electron and force microscopy and x-ray scattering. Sol-gel contents, hydrochloric acid, titania precursor and amphiphilic triblock copolymer were altered to see their effect on titania morphology. Increase in block copolymer content resulted in titania particles of diameter 15-20 nm.

Polymer brushes - Wetting properties and my-patterning

In this work polymer brushes on both flat and curved substrates were prepared by grafting from and grafting to techniques. The brushes on flat substrates were patterned on the µm-scale with the use of an inkjet printer. Thus it was demonstrated that chemistry with an inkjet printer is feasible. The inkjet printer was used to deposit microdroplets of acid. The saponification of surface-immobilized ATRP initiators containing an ester bond occurred in these microdroplets. The changes in the monolayer of ester molecules due to saponification were amplified by SI-ATRP. It was possible to correlate the polymer brush thickness to effectiveness of saponification. The use of an inkjet printer allowed for simultaneously screening of parameters such as type of acid, concentration of acid, and contact time between acid and surface. A dip-coater was utilized in order to test the saponification independent of droplet evaporation. The advantage of this developed process is its versatility. It can be applied to all surface-immobilized initiators containing ester bonds. The technique has additionally been used to selectively defunctionalize the initiator molecules covering a microcantilever on one side of a cantilever. An asymmetric coating of the cantilever with polymer brushes was thus generated. An asymmetric coating allows the use of a microcantilever for sensing applications. The preparation of nanocomposites comprised of polyorganosiloxane microgel particles functionalized with poly(ethyl methacrylate) (PEMA) brushes and linear, but entangled, PEMA chains is described in the second major part of this thesis. Measurement of the interparticle distance was performed using scanning probe microscopy and grazing incidence small angle X-ray scattering. The matrix molecular weight at which the nanocomposite showed microphase separation was related to abrupt changes in inter-particle distance. Microphase separation occurred once the matrix molecular exceeded the molecular weight of the brushes. The trigger for the microphase separation was a contraction of the polymer brushes, as the measurements of inter-particle distance have revealed. The brushes became impenetrable for the matrix chains upon contraction and thus behaved as hard spheres. The contraction led to a loss of anchoring between particles and matrix, as shown by nanowear tests using an atomic force microscope. Polyorganosiloxane microgel particles were functionalized with 13C enriched poly(ethyl methacrylate) brushes. New synthetic pathways were developed in order to enrich not the entire brush with 13C, but only exclusively selected regions. 13C chemical shift anisotropy, an advanced NMR technique, can thus be used in order to gather information about the extended conformations in the 13C enriched regions of the PEMA chains immobilized on the µ-gel-g-PEMA particles. The third part of this thesis deals with the grafting to of polymeric fullerene materials on silicon substrates. Active ester chemistry was employed in order to prepare the polymeric fullerene materials and graft these materials covalently on amino-functionalized silicon substrates.rn

A scanning electron microscope for ultracold quantum gases

This thesis presents a new imaging technique for ultracold quantum gases. Since the first observation of Bose-Einstein condensation, ultracold atoms have proven to be an interesting system to study fundamental quantum effects in many-body systems. Most of the experiments use optical imaging rnmethods to extract the information from the system and are therefore restricted to the fundamental limitation of this technique: the best achievable spatial resolution that can be achieved is comparable to the wavelength of the employed light field. Since the average atomic distance and the length scale of characteristic spatial structures in Bose-Einstein condensates such as vortices and solitons is between 100 nm and 500 nm, an imaging technique with an adequate spatial resolution is needed. This is achieved in this work by extending the method of scanning electron microscopy to ultracold quantum gases. A focused electron beam is scanned over the atom cloud and locally produces ions which are subsequently detected. The new imaging technique allows for the precise measurement of the density distribution of a trapped Bose-Einstein condensate. Furthermore, the spatial resolution is determined by imaging the atomic distribution in one-dimensional and two-dimensional optical lattices. Finally, the variety of the imaging method is demonstrated by the selective removal of single lattice site. rn

Transport properties of YBa 2 Cu 3 O 7, PrBa 2 Cu 3 O 7-superlattices

The understanding of the coupling between superconducting YBa2Cu3O7 (YBCO) layers decoupled by non superconducting PrBa2Cu3O7 (PBCO) layers in c-axis oriented superlattices was the aim of this thesis. For this purpose two conceptually different kind of transport experiments have been performed. rnrnIn the first type of transport experiments the current is flowing parallel to the layers. Here the coupling is probed indirectly using magnetic vortex lines, which are penetrating the superlattice. Movement of the vortex segments in neighbouring YBCO layers is more or less coherent depending on the thickness of both the superconducting and non superconducting layers. This in-plane transport was measured either by sending an external current through bridges patterned in the superlattice or by an induced internal current. rnThe vortex-creep activation energy U was determined by analysis of the in-plane resistive transition in an external magnetic field B oriented along the c-axis. The activation energies for two series of superlattices were investigated. In one series the thickness of the YBCO layers was constant (nY=4 unit cells) and the number of the PBCO unit cells was varied, while in the other the number of PBCO layers was constant (nP=4) and nY varied. The correlation length of the vortex system was determined to be 80 nm along the c-axis direction. It was found that even a single PBCO unit cell in a superlattice effectively cuts the flux lines into shorter weakly coupled segments, and the coupling of the vortex systems in neighbouring layers is negligible already for a thickness of four unit cells of the PBCO layers. A characteristic variation of the activation energy for the two series of superlattices was found, where U0 is proportional to the YBCO thickness. A change in the variation of U0 with the current I in the specimen was observed, which can be explained in terms of a crossover in the vortex creep process, generated by the transport current. At low I values the dislocations mediated (plastic) vortex creep leads to thermally assisted flux-flow behaviour, whereas at high current the dc transport measurements are dominated by elastic (collective) creep.rnThe analysis of standard dc magnetization relaxation data obtained for a series superlattices revealed the occurrence of a crossover from elastic (collective) vortex creep at low temperature to plastic vortex creep at high T. The crossover is generated by the T dependent macroscopic currents induced in the sample. The existence of this creep crossover suggests that, compared with the well known Maley technique, the use of the normalized vortex creep activation energy is a better solution for the determination of vortex creep parameters.rnrnThe second type of transport experiments was to measure directly a possible Josephson coupling between superconducting CuO2 double planes in the superlattices by investigation of the transport properties perpendicular to the superconducting planes. Here three different experiments have been performed. The first one was to pattern mesa structures photolithographically as in previous works. The second used three-dimensional nanostructures cut by a focused ion beam. For the these two experiments insufficient patterning capabilities prevented an observation of the Josephson effect in the current voltage curves. rnA third experiment used a-axis and (110) oriented YBCO films, where in-plane patterning can in principle be sufficient to measure transport perpendicular to the superconducting planes. Therefore the deposition of films with this unusual growth orientation was optimized and investigated. The structural and microstructural evolution of c-axis to a-axis orientation was monitored using x-ray diffraction, scanning electron microscopy and magnetization measurements. Films with full a-axis alignment parallel to the substrate normal could be achieved on (100)SrTiO3. Due to the symmetry of the substrate the c-axis direction in-plane is twofold. Transferring the deposition conditions to films grown on (110)SrTiO3 allowed the growth of (110) oriented YBCO films with a unique in-plane c-axis orientation. While these films were of high quality by crystallographic and macroscopic visual inspection, electron microscopy revealed a coherent crack pattern on a nanoscale. Therefore the actual current path in the sample was not determined by the macroscopic patterning which prohibited investigations of the in-plane anisotropy in this case.rn

Wet chemistry synthesis towards nanostructures of thermoelectric antimonides

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von nanostrukturierten Antimoniden, wobei die folgenden beiden Themen bearbeitet wurden: rnAus chemischer Sicht wurden neue Synthesewege entwickelt, um Nanopartikel der Verbindungen in den binären Systemen Zn-Sb und Fe-Sb herzustellen (Zn4Sb3, ZnSb, FeSb2, Fe1+xSb). Anders als in konventionellen Festkörperreaktionen, die auf die Synthese von Bulk-Materialien oder Einkristallen zielen, muss die Synthese von Nanopartikeln Agglomerate und Ostwald-Wachstum vermeiden. Daher benötigen annehmbare Reaktionszeiten und vergleichsweise tiefe Reaktionstemperaturen kurze Diffusionswege und tiefe Aktivierungsbarrieren. Demzufolge bedient sich die Synthese der Reaktion von Antimon-Nanopartikeln und geeigneten molekularen oder nanopartikulären Edukten der entsprechenden Übergangsmetalle. Zusätzlich wurden anisotrope ZnSb Strukturen synthetisiert, indem eine Templat-Synthese mit Hilfe von anodisierten Aluminiumoxid- oder Polycarbonat-Membranen angewandt wurde. rnDie erhaltenen Produkte wurden hauptsächlich durch Röntgen-Diffraktion und Elektronenmikroskopie untersucht. Die Auswertung der Pulver Röntgendiffraktions-Daten stellte eine Herausforderung dar, da die Nanostrukturierung und die Anwesenheit von mehreren Phasen zu verbreiterten und überlagernden Reflexen führen. Zusätzliche Fe-Mößbauer Messungen wurden im Falle der Fe-Sb Produkte vorgenommen, um detailliertere Informationen über die genaue Zusammensetzung zu erhalten. Die erstmals hergestellte Phase Zn1+xSb wurde einer detaillierten Kristallstrukturanalyse unterzogen, die mit Hilfe einer neuen Diffraktionsmethode, der automatisierten Elektronen Diffraktions Tomographie, durchgeführt wurde.rnrnAus physikalischer Sicht sind Zn4Sb3, ZnSb und FeSb2 interessante thermoelektrische Materialien, die aufgrund ihrer Fähigkeit thermische in elektrische Energie umzuwandeln, großes Interesse geweckt haben. Nanostrukturierte thermoelektrische Materialien zeigen dabei eine höhere Umwandlungseffizienz zu erhöhen, da deren thermische Leitfähigkeit herabgesetzt ist. Da thermoelektrische Bauteile aus dichten Bulk-Materialien gefertigt werden, spielte die Verfestigung der synthetisierten nanopartikulären Pulver eine große Rolle. Die als „Spark Plasma Sintering“ bezeichnete Methode wurde eingesetzt, um die Proben zu pressen. Dies ermöglicht schnelles Heizen und Abkühlen der Probe und kann so das bei klassischen Heißpress-Methoden unvermeidliche Kristallitwachstum verringern. Die optimalen Bedingungen für das Spark Plasma Sintern zu finden, ist Inhalt von bestehender und weiterführender Forschung. rnEin Problem stellt die Stabilität der Proben während des Sinterns dar. Trotz des schnellen Pressens wurde eine teilweise Zersetzung im Falle des Zn1+xSb beobachtet, wie mit Hilfe von Synchrotrondiffraktionsuntersuchungen aufgedeckt wurde. Morphologie und Dichte der verschiedenen verfestigten Materialien wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lasermikroskopie bestimmt. Die Gitterdynamik wurde mit Hilfe von Wärmekapazitätsmessungen- und inelastischer Kern-Streuung untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit der nanostrukturierten Materialien ist im Vergleich zu den Festkörpern ist drastisch reduziert - im Falle des FeSb2 um mehr als zwei Größenordnungen. Abhängig von der Zusammensetzung und mechanischen Härte wurden für einen Teil der verfestigten Nanomaterialien die thermoelektrische Eigenschaften, wie Seebeck Koeffizient, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, gemessen.rn

Phenothiazine based polymers for energy and data storage application

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten. Phenothiazin und seine Derivate sind kleine Redoxeinheiten, deren reversibles Redoxverhalten mit electrochromen Eigenschaften verbunden ist. Das besondere an Phenothiazine ist die Bildung von stabilen Radikalkationen im oxidierten Zustand. Daher können Phenothiazine als bistabile Moleküle agieren und zwischen zwei stabilen Redoxzuständen wechseln. Dieser Schaltprozess geht gleichzeitig mit einer Farbveränderung an her.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger Phenothiazin-Polymere mittels radikalischer Polymerisation beschrieben. Phenothiazin-Derivate wurden kovalent an aliphatischen und aromatischen Polymerketten gebunden. Dies erfolgte über zwei unterschiedlichen synthetischen Routen. Die erste Route beinhaltet den Einsatz von Vinyl-Monomeren mit Phenothiazin Funktionalität zur direkten Polymerisation. Die zweite Route verwendet Amin modifizierte Phenothiazin-Derivate zur Funktionalisierung von Polymeren mit Aktivester-Seitenketten in einer polymeranalogen Reaktion. rnrnPolymere mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten sind aufgrund ihrer Elektron-Donor-Eigenschaften geeignete Kandidaten für die Verwendung als Kathodenmaterialien. Zur Überprüfung ihrer Eignung wurden Phenothiazin-Polymere als Elektrodenmaterialien in Lithium-Batteriezellen eingesetzt. Die verwendeten Polymere wiesen gute Kapazitätswerte von circa 50-90 Ah/kg sowie schnelle Aufladezeiten in der Batteriezelle auf. Besonders die Aufladezeiten sind 5-10 mal höher als konventionelle Lithium-Batterien. Im Hinblick auf Anzahl der Lade- und Entladezyklen, erzielten die Polymere gute Werte in den Langzeit-Stabilitätstests. Insgesamt überstehen die Polymere 500 Ladezyklen mit geringen Veränderungen der Anfangswerte bezüglich Ladezeiten und -kapazitäten. Die Langzeit-Stabilität hängt unmittelbar mit der Radikalstabilität zusammen. Eine Stabilisierung der Radikalkationen gelang durch die Verlängerung der Seitenkette am Stickstoffatom des Phenothiazins und der Polymerhauptkette. Eine derartige Alkyl-Substitution erhöht die Radikalstabilität durch verstärkte Wechselwirkung mit dem aromatischen Ring und verbessert somit die Batterieleistung hinsichtlich der Stabilität gegenüber Lade- und Entladezyklen. rnrnDes Weiteren wurde die praktische Anwendung von bistabilen Phenothiazin-Polymeren als Speichermedium für hohe Datendichten untersucht. Dazu wurden dünne Filme des Polymers auf leitfähigen Substraten elektrochemisch oxidiert. Die elektrochemische Oxidation erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie in Kombination mit leitfähigen Mikroskopspitzen. Mittels dieser Technik gelang es, die Oberfläche des Polymers im nanoskaligen Bereich zu oxidieren und somit die lokale Leitfähigkeit zu verändern. Damit konnten unterschiedlich große Muster lithographisch beschrieben und aufgrund der Veränderung ihrer Leitfähigkeit detektiert werden. Der Schreibprozess führte nur zu einer Veränderung der lokalen Leitfähigkeit ohne die topographische Beschaffenheit des Polymerfilms zu beeinflussen. Außerdem erwiesen sich die Muster als besonders stabil sowohl mechanisch als auch über die Zeit.rnrnZum Schluss wurden neue Synthesestrategien entwickelt um mechanisch stabile als auch redox-funktionale Oberflächen zu produzieren. Mit Hilfe der oberflächen-initiierten Atomtransfer-Radikalpolymerisation wurden gepfropfte Polymerbürsten mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten hergestellt und mittels Röntgenmethoden und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Eine der Synthesestrategien geht von gepfropften Aktivesterbürsten aus, die anschließend in einem nachfolgenden Schritt mit redox-funktionalen Gruppen modifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist besonders vielversprechend und erlaubt es unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Aktivesterbürsten zu verankern. Damit können durch Verwendung von vernetzenden Gruppen neben den Redoxeigenschaften, die mechanische Stabilität solcher Polymerfilme optimiert werden. rn rn

Local dynamics and bending mechanics of mesostructured materials

Die vorliegende Arbeit behandelt die Anwendung der Rasterkraftmikroskopie auf die Untersuchung mesostrukturierter Materialien. Mesostrukturierte Materialien setzen sich aus einzelnen mesoskopen Bausteinen zusammen. Diese Untereinheiten bestimmen im Wesentlichen ihr charakteristisches Verhalten auf äußere mechanische oder elektrische Reize, weshalb diesen Materialien eine besondere Rolle in der Natur sowie im täglichen Leben zukommt. Ein genaues Verständnis der Selbstorganisation dieser Materialien und der Wechselwirkung der einzelnen Bausteine untereinander ist daher von essentieller Bedeutung zur Entwicklung neuer Synthesestrategien sowie zur Optimierung ihrer Materialeigenschaften. Die Charakterisierung dieser mesostrukturierten Materialien erfolgt üblicherweise mittels makroskopischer Analysemethoden wie der dielektrischen Breitbandspektroskopie, Thermogravimetrie sowie in Biegungsexperimenten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich diese Analysemethoden mit der Rasterkraftmikroskopie verbinden lassen, um mesostrukturierte Materialien zu untersuchen. Die Rasterkraftmikroskopie bietet die Möglichkeit, die Oberfläche eines Materials abzubilden und zusätzlich dazu seine quantitativen Eigenschaften, wie die mechanische Biegefestigkeit oder die dielektrische Relaxation, zu bestimmen. Die Übertragung makroskopischer Analyseverfahren auf den Nano- bzw. Mikrometermaßstab mittels der Rasterkraftmikroskopie erlaubt die Charakterisierung von räumlich sehr begrenzten Proben bzw. von Proben, die nur in einer sehr kleinen Menge (&lt;10 mg) vorliegen. Darüberhinaus umfasst das Auflösungsvermögen eines Rasterkraftmikroskops, welche durch die Größe seines Federbalkens (50 µm) sowie seines Spitzenradius (5 nm) definiert ist, genau den Längenskalenbereich, der einzelne Atome mit der makroskopischen Welt verbindet, nämlich die Mesoskala. In dieser Arbeit werden Polymerfilme, kolloidale Nanofasern sowie Biomineralien ausführlicher untersucht.rnIm ersten Projekt werden mittels Rasterkraftmikroskopie dielektrische Spektren von mischbaren Polymerfilmen aufgenommen und mit ihrer lokalen Oberflächenstruktur korreliert. Im zweiten Projekt wird die Rasterkraftmikroskopie eingesetzt, um Biegeexperimente an kolloidalen Nanofasern durchzuführen und so ihre Brucheigenschaften genauer zu untersuchen. Im letzten Projekt findet diese Methode Anwendung bei der Charakterisierung der Biegeeigenschaften von Biomineralien. Des Weiteren erfolgt eine Analyse der organischen Zusammensetzung dieser Biomineralien. Alle diese Projekte demonstrieren die vielseitige Einsetzbarkeit der Rasterkraftmikroskopie zur Charakterisierung mesostrukturierter Materialien. Die Korrelation ihrer mechanischen und dielektrischen Eigenschaften mit ihrer topographischen Beschaffenheit erlaubt ein tieferes Verständnis der mesoskopischen Materialien und ihres Verhaltens auf die Einwirkung äußerer Stimuli.rn

Thermoelektrische und strukturelle Eigenschaften gefüllter Skutterudite, sowie Verbesserung ihres Gütefaktors durch Nanostrukturierung

Gefüllte Skutterudite mit der Summenformel MxCo4Sb12 sind vielversprechende thermoelektrische Materialien. Die Standardsynthese führt jedoch oft zur Bildung von MSbx, Sb, CoSb oder CoSb2 als Nebenphasen. In dieser Arbeit wird eine neue zweistufige Synthese vorgestellt, bei der die Bildung des Kieftits (CoSb3) getrennt von dem topotaktischen Füllen mit dem Metallatom M erfolgt. Dieser Ansatz erlaubt eine Durchführung der Reaktion bei niedrigeren Temperaturen mit kürzeren Reaktionszeiten. Ein geringer Antimon-Unterschuss im so erhaltenen Kieftit erhöht die Anzahl der Ladungsträger und unterdrückt die Bildung von Verunreinigungsphasen. Zunächst wurden Skutteruditproben mit der nominellen Zusammensetzung InxCo4Sb12 mit x = 0,12; 0,15; 0,18 und 0,20 in hoher Reinheit hergestellt und mit Spark Plasma Sintering (SPS) kompaktiert. Messaufnahmen mit Potential- und Seebeck-Mikrosonde und Rasterelektronenmikroskop zeigten eine hohe Probenhomogenität. Produkte waren nahezu phasenrein, was eine Untersuchung der Transporteigenschaften ohne Verfälschung durch Nebenphasen ermöglichte. Die quantitative Phasenanalyse mittels Synchrotron-Beugungsdaten zeigte < 0,1 % InSb bei In0,18Co4Sb12 und In0,20Co4Sb12, sowie eine lineare Korrelation zwischen dem wahren Füllgrad und der Gitterkonstante. Die Bindung von < 0,1 % InSb verringerte den Füllgrad der nominellen In0,20Co4Sb12-Probe auf x = 0,144. Die nominelle In0,18Co4Sb12-Probe mit dem wahren Gehalt x = 0,160 hatte den höchsten zT-Wert nahe eins bei 420 °C. Es konnte anschließend die Anwendbarkeit der Synthesemethode für Barium- und mehrfach gefüllte (Na+In) Skutterudite gezeigt werden. Die Na-gefüllte Probe war gegenüber der thermischen Behandlung in der SPS oder der Charakterisierung instabil. Alle Verbindungen wurden gesintert und ihre Transporteigenschaften wurden charakterisiert. Des weiterem wurde der Einfluss der Konzentration der Korngrenzen bei den Mischungen von zu Nanomaßstab vermahlenem In0,18Co4Sb12 (Partikelgrößen zwischen 20 und 100 nm) mit dem ursprünglichen Bulk untersucht. Proben mit verschiedenen Anteilen von Nanopulver wurden gesintert, ihre thermoelektrischen und strukturellen Eigenschaften wurden untersucht. Die Gütezahl zT von 1,39 bei 375 °C wurde bei der Probe mit gleichen Anteilen des Nano- und des unbehandelten Pulvers erreicht. Die Komposite mit Anteilen <10 % oder >75 % des Nanopulvers zeigten keine Verbesserung gegenüber der unbehandelten Verbindung.rn