EXAFS and XRD analyses of the structural evolutions involved during drying of SnO2 hydrogels

In order to determine structural changes during drying of inorganic gels, the local and long-range order structure of SnO2-x(OH)2x xerogels resulting from drying hydrogels with different concentrations of electrolyte (Cl- and NH+ 4) have been measured by extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), X-ray diffraction (XRD) and N2 adsorption techniques. EXAFS measurements performed at the Sn K edge on the hydrogels and xerogels show the existence of microcrystallites with the cassiterite structure. Two drying modes have been used: freeze drying and drying by evaporation at 45°C. It is shown that the microcrystallite size determined by XRD and EXAFS techniques on the drying mode and on the electrolyte concentrations. The microcrystallite size measured on the freeze dried xerogels is similar to that of their parent hydrogels, whatever the concentration of electrolyte; however, during drying by evaporation, a preferential growth of microcrystallites along the c-axis of the cassiterite structure is observed. The size of these crystallites is enhanced with a decrease of the electrolyte concentration. Specific surface areas calculated by the Brunauer-Emmett-Teller method indicate that this preferential growth is related to the improvement of the network connectivity. The comparison of both drying processes indicates that crystallization and polycondensation are independent phenomena. © 1995 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

EXAFS and XRD Study of the Structural Evolution during Isothermal Sintering of SnO2 Xerogels

The formation of an ordered (crystalline) phase during isothermal sintering of SnO2 monolithic xerogels, at 200, 250, 300, 400, 500, 600 and 700°C, has been analyzed by the combined use of EXAFS and XRD techniques. For the desiccated gel (110°C), EXAFS results show the formation of small microcrystallites with the incipient cassiterite structure. Between 110 and 250°C, the dehydratation reaction leads to an amorphization evidenced by a decrease of the long and short range crystallographic order. It is due to fissure formation in the xerogel network. For higher temperatures, a continuous coagulation of the crystallites occurs, leading to grain growth. Grain and pore growth obeys the same kinetic relation, so that the microstructure grows by simple enlargement while its morphology is static.

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