Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

Integration Principles of Russian and Japanese Databases on Inorganic Materials

The methods and software for integration of databases (DBs) on inorganic material and substance properties have been developed. The information systems integration is based on known approaches combination: EII (Enterprise Information Integration) and EAI (Enterprise Application Integration). The metabase - special database that stores data on integrated DBs contents is an integrated system kernel. Proposed methods have been applied for DBs integrated system creation in the field of inorganic chemistry and materials science. Important developed integrated system feature is ability to include DBs that have been created by means of different DBMS using essentially various computer platforms: Sun (DB "Diagram") and Intel (other DBs) and diverse operating systems: Sun Solaris (DB "Diagram") and Microsoft Windows Server (other DBs).

Development of modified inorganic adsorbents for radioactive iodine removal and biomolecule adsorption

Development and application of inorganic adsorbent materials have been continuously investigated due to their variability and versatility. This Master thesis has expanded the knowledge in the field of adsorption targeting radioactive iodine waste and proteins using modified inorganic materials. Industrial treatment of radioactive waste and safety disposal of nuclear waste is a constant concern around the world with the development of radioactive materials applications. To address the current problems, laminar titanate with large surface area (143 m2 g−1) was synthesized from inorganic titanium compounds by hydrothermal reactions at 433 K. Ag2O nanocrystals of particle size ranging from 5–30 nm were anchored on the titanate lamina surface which has crystallographic similarity to that of Ag2O nanocrystals. Therefore, the deposited Ag2O nanocrystals and titanate substrate could join together at these surfaces between which there forms a coherent interface. Such coherence between the two phases reduces the overall energy by minimizing surface energy and maintains the Ag2O nanocrystals firmly on the outer surface of the titanate structure. The combined adsorbent was then applied as efficient adsorbent to remove radioactive iodine from water (one gram adsorbent can capture up to 3.4 mmol of I- anions) and the composite adsorbent can be recovered easily for safe disposal. The structure changes of the titanate lamina and the composite adsorbent were characterized via various techniques. The isotherm and kinetics of iodine adsorption, competitive adsorption and column adsorption using the adsorbent were studied to determine the iodine removal abilities of the adsorbent. It is shown that the adsorbent exhibited excellent trapping ability towards iodine in the fix-bed column despite the presence of competitive ions. Hence, Ag2O deposited titanate lamina could serve as an effective adsorbent for removing iodine from radioactive waste. Surface hydroxyl group of the inorganic materials is widely applied for modification purposes and modification of inorganic materials for biomolecule adsorption can also be achieved. Specifically, γ-Al2O3 nanofibre material is converted via calcinations from boehmite precursor which is synthesised by hydrothermal chemical reactions under directing of surfactant. These γ-Al2O3 nanofibres possess large surface area (243 m2 g-1), good stability under extreme chemical conditions, good mechanical strength and rich surface hydroxyl groups making it an ideal candidate in industrialized separation column. The fibrous morphology of the adsorbent also guarantees facile recovery from aqueous solution under both centrifuge and sedimentation approaches. By chemically bonding the dyes molecules, the charge property of γ-Al2O3 is changed in the aim of selectively capturing of lysozyme from chicken egg white solution. The highest Lysozyme adsorption amount was obtained at around 600 mg/g and its proportion is elevated from around 5% to 69% in chicken egg white solution. It was found from the adsorption test under different solution pH that electrostatic force played the key role in the good selectivity and high adsorption rate of surface modified γ-Al2O3 nanofibre adsorbents. Overall, surface modified fibrous γ-Al2O3 could be applied potentially as an efficient adsorbent for capturing of various biomolecules.

Nanostructured Peptide Fibrils Formed at the Organic-Aqueous Interface and Their Use as Templates To Prepare Inorganic Nanostructures

Formation of fibril-type nanostructures of the Alzheimer's beta-amyloid diphenylalanine (L-Phe-L-Phe, FF) at the organic-aqueous interface and the factors affecting their structures have been investigated. Such nanostructures are also formed by bovine serum albumin and bovine pancreas insulin. The concentration of the precursor taken in the aqueous layer plays an important role in determining the morphology of the nanostructures, The addition of curcumin to the organic layer changes the structure of the self-assembled one-dimensional aggregates of diphenylalanine. By coating the diphenylalanine dipeptide fibrils with appropriate precursors followed by calcination in air, it has been possible to obtain one-dimensional nanostructures of inorganic materials.

Novel organic-inorganic composite polymer-electrolyte membranes for DMFCs

Organic-inorganic composite membranes comprising Nation with inorganic materials such as silica, mesoporous zirconium phosphate (MZP) and mesoporous titanium phosphate (MTP) are fabricated and evaluated as proton-exchange-membrane electrolytes for direct methanol fuel cells (DMFCs). For Nation-silica composite membrane, silica is impregnated into Nation matrix as a sol by a novel water hydrolysis process precluding the external use of an acid. Instead, the acidic nature of Nation facilitates in situ polymerization reaction with Nation leading to a uniform composite membrane. The rapid hydrolysis and polymerization reaction while preparing zirconia and titania sols leads to uncontrolled thickness and volume reduction in the composite membranes, and hence is not conducive for casting membranes. Nafion-MZP and Nafion-MTP composite membranes are prepared by mixing pre-formed porous MZP and MTP with Nation matrix. MZP and MTP are synthesised by co-assembly of a tri-block co-polymer, namely pluronic-F127, as a structure-directing agent, and a mixture of zirconium butoxide/titanium isopropoxide and phosphorous trichloride as inorganic precursors. Methanol release kinetics is studied by volume-localized NMR spectroscopy (employing ``point resolved spectroscopy'', PRESS), the results clearly demonstrating that the incorporation of inorganic fillers in Nation retards the methanol release kinetics under osmotic drag. Appreciable proton conductivity with reduced methanol permeability across the composite membranes leads to improved performance of DMFCs in relation to commercially available Nafion-117 membrane.

Inorganic Analogues of Graphene

The discovery of graphene has aroused great interest in the properties and phenomena exhibited by two-dimensional inorganic materials, especially when they comprise only a single, two or a few layers. Graphene-like MoS2 and WS2 have been prepared by chemical methods, and the materials have been characterized by electron microscopy, atomic force microscopy (AFM) and other methods. Boron nitride analogues of graphene have been obtained by a simple chemical procedure starting with boric acid and urea and have been characterized by various techniques that include surface area measurements. A new layered material with the composition BCN possessing a few layers and a large surface area discovered recently exhibits a large uptake of CO2.

Novel materials, materials design and synthetic strategies: recent advances and new directions

There have been major advances in solid state and materials chemistry in the last two decades and the subject is growing rapidly. In this account, a few of the important aspects of materials chemistry of interest to the author are presented. Accordingly, transition metal oxides, which constitute the most fascinating class of inorganic materials, receive greater attention, Metal-insulator transitions in oxides, high temperature superconductivity in cuprates and colossal magnetoresistance in manganates are discussed at some length and the outstanding problems indicated, We then discuss certain other important classes of materials which include molecular materials, biomolecular materials and porous solids. Recent developments in synthetic strategies for inorganic materials are reviewed. Some results on metal nanoparticles and nanotubes are briefly presented. The overview, which is essentially intended to provide a flavour of the subject and show how it works, lists references to many crucial reviews in the recent literature.

Rational design of solid materials: A case study of lithium-ion conductors

In the absence of a reliable method for a priori prediction of structure and properties of inorganic solid materials, an experimental approach involving a systematic study of composition, structure and properties combined with chemical intuition based on previous experience is likely to be a viable alternative to the problem of rational design of inorganic materials. The approach is illustrated by taking perovskite lithium-ion conductors as an example.

Synthesis of inorganic solids using microwaves

Use of microwaves in the synthesis of materials is gaining importance. Microwave-assisted synthesis is generally much faster, cleaner, and more economical than the conventional methods. A variety of materials such as carbides, nitrides, complex oxides, silicides, zeolites, apatite, etc. have been synthesized using microwaves. Many of these are of industrial and technological importance. An understanding of the microwave interaction with materials has been based on concepts of dielectric heating and of the resonance absorption due to rotational excitation. This review presents a summary of recent reports of microwave synthesis of inorganic materials. Various observations regarding microwave interaction with materials are also briefly discussed.

Recent progress in the synthesis of inorganic nanoparticles

Nanoparticles probably constitute the largest class of nanomaterials. Nanoparticles of several inorganic materials have been prepared by employing a variety of synthetic strategies. Besides synthesizing nanoparticles, there has been considerable effort to selectively prepare nanoparticles of different shapes. In view of the great interest in inorganic nanoparticles evinced in the last few years, we have prepared this perspective on the present status of the synthesis of inorganic nanoparticles. This article includes a brief discussion of methods followed by reports on the synthesis of nanoparticles of various classes of inorganic materials such as metals, alloys, oxides chalcogenides and pnictides. A brief section on core-shell nanoparticles is also included.

Strategies for the Synthesis of Graphene, Graphene Nanoribbons, Nanoscrolls and Related Materials

Single-layer graphene (SLG), the 3.4 angstrom thick two-dimensional sheet of sp(2) carbon atoms, was first prepared in 2004 by mechanical exfoliation of graphite crystals using the scotch tape technique. Since then, SLG has been prepared by other physical methods such as laser irradiation or ultrasonication of graphite in liquid media. Chemical methods of synthesis of SLG are more commonly used; the most popular involves preparation of single-layer graphene oxide followed by reduction with a stable reagent, often assisted by microwave heating. This method yields single-layer reduced graphene oxide. Other methods for preparing SLG include chemical vapour deposition over surfaces of transition metals such as Ni and Cu. Large-area SLG has also been prepared by epitaxial growth over SIC. Few-layer graphene (FLG) is prepared by several methods; arc discharge of graphite in hydrogen atmosphere being the most convenient. Several other methods for preparing FLG include exfoliation of graphite oxide by rapid heating, ultrasonication or laser irradiation of graphite in liquid media, reduction of few-layer graphene oxide, alkali metal intercalation followed by exfoliation. Graphene nanoribbons, which are rectangular strips of graphene, are best prepared by the unzipping of carbon nanotubes by chemical oxidation or laser irradiation. Many graphene analogues of inorganic materials such as MoS2, MoSe2 and BN have been prepared by mechanical exfoliation, ultrasonication and by chemical methods involving high-temperature or hydrothermal reactions and intercalation of alkali metals followed by exfoliation. Scrolls of graphene are prepared by potassium intercalation in graphite or by microwave irradiation of graphite immersed in liquid nitrogen.

Exploring the color of transition metal ions in irregular coordination geometries: new colored inorganic oxides based on the spiroffite structure, Zn2-xMxTe3O8 (M = Co, Ni, Cu)

We describe the synthesis, crystal structures, and optical absorption spectra of transition metal substituted spiroffite derivatives, Zn2-xMxTe3O8 (M-II = Co, Ni, Cu; 0 < x <= 1.0). The oxides are readily synthesized by solid state reaction of stoichiometric mixtures of the constituent binaries at 620 degrees C. Reitveld refinement of the crystal structures from powder X-ray diffraction (XRD) data shows that the Zn/MO6 octahedra are strongly distorted, as in the parent Zn2Te3O8 structure, consisting of five relatively short Zn/M-II-O bonds (1.898-2.236 angstrom) and one longer Zn/M-II-O bond (2.356-2.519 angstrom). We have interpreted the unique colors and the optical absorption/diffuse reflectance spectra of Zn2-xMxTe3O8 in the visible, in terms of the observed/irregular coordination geometry of the Zn/M-II-O chromophores. We could not however prepare the fully substituted M2Te3O8 (M-II = Co, Ni, Cu) by the direct solid state reaction method. Density Functional Theory (DFT) modeling of the electronic structure of both the parent and the transition metal substituted derivatives provides new insights into the bonding and the role of transition metals toward the origin of color in these materials. We believe that transition metal substituted spiroffites Zn2-xMxTe3O8 reported here suggest new directions for the development of colored inorganic materials/pigments featuring irregular/distorted oxygen coordination polyhedra around transition metal ions.

Development of high-k gate dielectric materials

The traditional gate dielectric material Of SiO2 can not satisfy the need of the continuous downscaling of CMOS dimensions. High-K gate dielectric materials have attracted extensive research efforts recently and obtained great progress. In this paper, the developments of high-K gate materials were reviewed. Based on the author's background and research work in the area, the latest achievements of high-K gate dielectric materials on the recrystalization temperature, the low-K interface layer, and the dielectric breakdown and metal gate electrode were introduced in detail.