Synthesis of high density boron nitride nanotube film

Antiwetting BNNT films have been achieved by milling-ink method. Superhydrophobic (CA <5°) are demonstrated on films with stainless steel as substrate. The high density and purity are confirmed by EDX and NEXAFS. There are only a few oxygen point defects in the form of nitrogen vacancies due to ink and annealing process in air.

Probing unoccupied electronic states in aqueous solutions

Water is one of the most common compounds on earth and is essential for all biological activities. Water has, however, been a mystery for many years due to the large number of unusual chemical and physical properties, e.g. decreased volume during melting and maximum density at 4 °C. The origin of the anomalies behavior is the nature of the hydrogen bond. This thesis will presented an x-ray absorption spectroscopy (XAS) study to reveal the hydrogen bond structure in liquid water. The x-ray absorption process is faster than a femtosecond and thereby reflects the molecular orbital structure in a frozen geometry locally around the probed water molecules. The results indicate that the electronic structure of liquid water is significantly different from that of the solid and gaseous forms. The molecular arrangement in the first coordination shell of liquid water is actually very similar as the two-hydrogen-bonded configurations at the surface of ice. This discovery suggests that most molecules in liquid water have two-hydrogen-bonded configurations with one donor and one acceptor hydrogen bond compared to the four-hydrogen-bonded tetrahedral structure in ice. This result is controversial since the general picture is that the structure of liquid water is very similar to the structure of ice. The results are, however, consistent with x-ray and neutron diffraction data but reveals serious discrepancies with structures based on current molecular dynamics simulations. The two-hydrogen-bond configuration in liquid water is rigid and heating from 25 °C to 90 °C introduce a minor change in the hydrogen-bonded configurations. Furthermore, XAS studies of water in aqueous solutions show that ion hydration does not affect the hydrogen bond configuration of the bulk. Only water molecules in the close vicinity to the ions show changes in the hydrogen bond formation. XAS data obtained with fluorescence yield are sensitive enough to resolved electronic structure of water molecules in the first hydration sphere and to distinguish between different protonated species. Hence, XAS is a useful tool to provide insight into the local electronic structure of a hydrogen-bonded liquid and it is applied for the first time on water revealing unique information of high importance.

Grenzflächenverhalten und Strukturierung von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen

Die Oberfläche von Blockcopolymerfilmen wird aus denjenigen Blöcken gebildet, die gegenüber dem benachbarten Medium die geringste Oberflächenenergie besitzen. Durch eine gezielte Änderung des Mediums kann man Einfluss auf die chemische Zusammensetzung nehmen und einen Wechsel der Oberflächenlamelle erzwingen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Grenzflächenverhalten von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen näher zu untersuchen, die Filmoberflächen in einem lösungsmittelfreien Prozess lateral zu strukturieren und anschließend chemisch zu modifizieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst neuartige hydrophile und hydrophobe Styrenderivate mit kurzen Seitenketten dargestellt, die anschließend durch kontrollierte radikalische Polymerisation („stable free radical polymerisation“ SFRP) mit dem TEMPO Unimer zu amphiphilen Diblockcopolymeren polymerisiert wurden. Funktionelle Gruppen in den hydrophilen Blöcken sollen zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme ermöglichen. Der Nachweis der Reorientierung der Oberflächenlamelle unter dem Einfluss angrenzender polarer und unpolarer Medien gelang im Folgenden sowohl indirekt durch Kontaktwinkelmessungen, als auch direkt durch „Near edge X-ray Absorption Fine Structure“ Spektroskopie (NEXAFS). Durch Letztere konnten auch kinetische Informationen über den Prozess der Reorientierung gewonnen werden. In AFM Studien konnten weiterhin Zwischenstufen des von Senchu et al. postulierten Mechanismus nachgewiesen werden, der die Reorientierung als eine Art Reißverschlussmechanismus beschreibt, bei dem sich die energetisch günstigere Lamelle über die ungünstigere Oberflächenlamelle stülpt. Die laterale Strukturierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme erfolgte abweichend von der bekannten Technik, die auf der Verwendung von hydrophoben PDMS Stempeln und einem polaren Lösungsmittel zurückgreift, durch einen lösungsmittelfreien Prozess mit hydrophilen PDMS Stempeln. Auf die hydrophilen Bereiche der so strukturierten Blockcopolymeroberflächen konnte dann mittels einer Templatstrategie selektiv elementares Kupfer abgeschieden werden. Durch die Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Blockcopolymerfilmen konnte exemplarisch die Eignung dieser zum Aufbau von Sensorstrukturen gezeigt werden.

Untersuchung des Reorientierungsverhaltens und Strukturierung dünner amphiphiler Blockcopolymerfilme zum Aufbau von Kompositen

Grundlage für die hier gezeigte Arbeit stellt die Eigenschaft von amphiphilen Blockcopolymeren dar immer den Block mit der niedrigsten Grenzflächenenergie zum angrenzenden Medium an die Oberfläche zu bringen. Durch einen Austausch des Mediums an der Grenzfläche zum Blockcopolymer kann eine Reorientierung erzwungen werden, wenn die Grenzflächenenergie des anderen Blocks nun die niedrigere Grenzflächenenergie besitzt. Dieses Verhalten von dünnen amphiphilen Blockcopolymerfilmen wurde zur Strukturierung von Oberflächen ausgenutzt und in nachfolgenden Synthesen weiter verstärkt. Um dies zu erreichen wurde das zur Strukturierung erforderliche Poly(4-Octylstyrol)block(4-hydroxystyrol) durch kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode mit dem Tempo Unimer (2,2,6,6-Tetramethyl-1-1(1-phenyl-ethoxy)-piperidin) synthetisiert. Für die geplanten Reorientierungen und Modifizierungen von Oberflächen wurden dünne Filme durch Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (Siliziumwafern, Glassubstraten und Goldoberflächen) hergestellt. Das Verhalten der Oberflächen von diesen Filmen wurde durch Kontaktwinkelmessungen untersucht. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche von Polymerfilmen nach der Präparation aus dem hydrophoben Block des Polymers gebildet wird. Durch Kontakt des Polymerfilms mit Wasser kann dieser zur Reorientierung gebracht werden, so dass der hydrophile Block des Polymers an der Oberfläche erscheint. Dieses Verhalten wurde zur Strukturierung mit softlithographischen Techniken genutzt. Dazu wurden hydrophil/hydrophob strukturierte Oberflächen durch Aufsetzen von hydrophoben PDMS-Stempeln, die Teile der Oberfläche selektiv abdeckten, und Einbringen von Wasser in die dabei entstehenden Kapillaren hergestellt. Dies ermöglichte es die Oberfläche selektiv im Größenbereich von 500nm bis zu 50µm zu strukturieren und an den reaktiven Bereichen Materialien, wie z.B. Kupfer, Titandioxid, Polyelektrolyte, photonische Kristalle und angegraftete Polymere, mit verschiedenen Methoden selektiv auf die Oberfläche aufzubringen. Um den Reorganisationsprozess der Oberfläche genauer zu studieren, wurde ein für diese Aufgabe besser geeignetes Polymer (Poly(Styrol)-block-poly(essigsäure-2-(2-(4-vinyl-phenoxy)-ethoxy)ethylester)) synthetisiert. Aus diesem Blockcopolymer wurden wieder dünne Filme durch Spincoaten hergestellt. Die Reorientierung dieses Polymers in 70°C warmen Wasser konnte durch Kontaktwinkelmessungen und NEXAFS Spektroskopie nachgewiesen werden. Mit Hilfe der NEXAFS Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit der Reorientierung durch eine exponentielle Funktion beschrieben werden kann. Eine Auswertung der Geschwindigkeitskonstante für die Reorientierung einer hydrophilen zu einer hydrophoben Oberfläche des Polymers bei 60°C führt zu =75min. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Reorientierung macht es den Anschein, dass die Reorientierung bei verschiedenen Reorientierungstemperaturen bis zu einem gewissen Grad erfolgt und dann stoppt. Eine weitere Reorientierung scheint erst wieder bei einer Temperaturerhöhung zu beginnen. Aus AFM Messungen ist ein Beginnen der Reorientierung durch Bildung kleiner Löcher in der Polymeroberfläche zu erkennen, die sich zu runden Erhöhungen und Vertiefungen vergrößern, um letztendlich in ein spinodales Entmischungsmuster über zu gehen. Dieses heilt dann im Laufe der Zeit langsam durch Verschwinden der hydrophilen Bereiche langsam aus. Der Beginn des zuvor beschriebenen Reorientierungsprozesses einer hydrophilen Oberfläche in eine hydrophobe konnte sowohl in den AFM, als auch in den NEXAFS-Messungen zu ca. 50°C bestimmt werden.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

Pyrene derivatives as donors and acceptors

Pyrene derivatives as donors and acceptorsrnrnAlmost 200 years have passed since pyrene was first discovered, and to this day it garners unbroken interest by chemists around the world. One of the most fascinating areas of pyrene chemistry is its selective functionalization, since it is still currently a challenge to specifically functionalize different positions on the molecule.[1]rnIn this work, two new patterns of pyrene substitution have been developed. Under suitable conditions, a fourfold bromination of 4,5,9,10 tetramethoxypyrene is possible to yield eightfold functionalized pyrenes. Based on these molecules a novel series of 1,3,4,5,6,8,9,10-substituted pyrene derivatives was achieved. Synthetic approaches to a non-quinoidal, strong pyrene-4,5,9,10-tetraone based acceptor have been discussed. It emerged that the chosen synthetic approach is suitable for intermediate acceptors, yet it failed very electron deficient pyrene derivatives. Donors based on 4,5,9,10-tetramethoxypyrene (2,7- and 1,3,6,8-substitued) have been prepared and studied as CT complexes. In the SFB/TR 49 these complexes were analyzed in the solid state. For the first time charge transfer in a non-TTF CT-complex was studied by HAXPES and NEXAFS.rnBased on the works of ZÖPHEL et al.[2] it was possible to obtain an asymmetric 4,9,10 substituted pyrene derivative. This was used as a building block to prepare a non-planar acceptor molecule as well as electron-rich rylene-type molecules. rnFinally, two separate series of molecules intended as emitters for OLEDs were presented. Thermally activated delayed fluorescence (TADF) in OLEDs attracted significant academic interest as it is considered a promising approach to improve the efficiency of fluorescent OLEDs.[3] Our molecules were designed to have a deep blue emission spectrum and a minimal singlet triplet energy gap (∆ES1->T1) while retaining a high fluorescence quantum yield ϕPL. The initial OD series has a small ∆ES1->T1, yet had an insufficient ϕPL for the use in OLEDs. The Py series emitters, in contrast, combine both desired properties and were successfully implemented in efficient OLED devices.rn[1]. T. M. Figueira-Duarte and K. Müllen, Chem. Rev., 2011, 111, 7260-7314.rn[2]. L. Zöphel, V. Enkelmann and K. Müllen, Org. Lett., 2013, 15, 804-807.rn[3]. H. Uoyama, K. Goushi, K. Shizu, H. Nomura and C. Adachi, Nature, 2012, 492, 234-238.

The influence of physical state on shikimic acid ozonolysis: a case for in situ microspectroscopy

Atmospheric soluble organic aerosol material can become solid or semi-solid. Due to increasing viscosity and decreasing diffusivity, this can impact important processes such as gas uptake and reactivity within aerosols containing such substances. This work explores the dependence of shikimic acid ozonolysis on humidity and thereby viscosity. Shikimic acid, a proxy for oxygenated reactive organic material, reacts with O3 in a Criegee-type reaction. We used an environmental microreactor embedded in a scanning transmission X-ray microscope (STXM) to probe this oxidation process. This technique facilitates in situ measurements with single micron-sized particles and allows to obtain near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectra with high spatial resolution. Thus, the chemical evolution of the interior of the particles can be followed under reaction conditions. The experiments show that the overall degradation rate of shikimic acid is depending on the relative humidity in a way that is controlled by the decreasing diffusivity of ozone with decreasing humidity. This decreasing diffusivity is most likely linked to the increasing viscosity of the shikimic acid–water mixture. The degradation rate was also depending on particle size, most congruent with a reacto-diffusion limited kinetic case where the reaction progresses only in a shallow layer within the bulk. No gradient in the shikimic acid concentration was observed within the bulk material at any humidity indicating that the diffusivity of shikimic acid is still high enough to allow its equilibration throughout the particles on the timescale of hours at higher humidity and that the thickness of the oxidized layer under dry conditions, where the particles are solid, is beyond the resolution of STXM.

Facilitating Realistic and Efficient Applications of Ab Initio Electronic Dynamics for Polyatomic Systems

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Hydrodebromination of bromobenzene over Pt(111)

The surface chemistry of benzene and bromobenzene over Pt(111) has been studied by temperature-programmed XPS/MS and NEXAFS. Time-resolved XPS shows that benzene adopts a single chemically distinguishable environment during low-temperature adsorption within the monolayer, with a saturation coverage at θC6H6 = 0.2 ML. Around 20% of a benzene monolayer desorbs molecularly, while the remainder dehydrogenates to surface carbon. Bromobenzene likewise adsorbs molecularly at 90 K, giving rise to two C 1s environments at 284.4 and 285.3 eV corresponding to the C−H and C−Br functions, respectively. The saturation C6H5Br monolayer coverage is 0.11 ML. NEXAFS reveals that bromobenzene adopts a tilted geometry, with the ring plane at 60 ± 5° to the surface. Bromobenzene multilayers desorb at ∼180 K, with higher temperatures promoting competitive molecular desorption versus C−Br scission within the monolayer. Approximately 30% of a saturated bromobenzene monolayer either desorbs reversibly or as reactively formed hydrocarbons. Debromination yields a stable (phenyl) surface intermediate and atomic bromine at 300 K. Further heating results in desorption of reactively formed H2, C6H6, and HBr; however, there was no evidence for either biphenyl or Br2 formation. Pt(111) is an efficient surface for low-temperature bromobenzene hydrodebromination to benzene and HBr. © 2007 American Chemical Society.

Morphology and material stability in polymer solar cells

Polymer solar cells are promising in that they are inexpensive to produce, and due to their mechanical flexibility have the potential for use in applications not possible for more traditional types of solar cells. The performance of polymer solar cells depends strongly on the distribution of electron donor and acceptor material in the active layer. Understanding the connection between morphology and performance as well as how to control the morphology, is therefore of great importance. Furthermore, improving the lifetime of polymer solar cells has become at least as important as improving the efficiency.   In this thesis, the relation between morphology and solar cell performance is studied, and the material stability for blend films of the thiophene-quinoxaline copolymer TQ1 and the fullerene derivatives PCBM and PC70BM. Atomic force microscopy (AFM) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM) are used to investigate the lateral morphology, secondary ion mass spectrometry (SIMS) to measure the vertical morphology and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy to determine the surface composition. Lateral phase-separated domains are observed whose size is correlated to the solar cell performance, while the observed TQ1 surface enrichment does not affect the performance. Changes to the unoccupied molecular orbitals as a result of illumination in ambient air are observed by NEXAFS spectroscopy for PCBM, but not for TQ1. The NEXAFS spectrum of PCBM in a blend with TQ1 changes more than that of pristine PCBM. Solar cells in which the active layer has been illuminated in air prior to the deposition of the top electrode exhibit greatly reduced electrical performance. The valence band and absorption spectrum of TQ1 is affected by illumination in air, but the effects are not large enough to account for losses in solar cell performance, which are mainly attributed to PCBM degradation at the active layer surface.