High frequency acoustics in colloid-based meso- and nanostructures by spontaneous Brillouin light scattering

Materials that can mold the flow of elastic waves of certain energy in certain directions are called phononic materials. The present thesis deals essentially with such phononic systems, which are structured in the mesoscale (<1 µm), and with their individual components. Such systems show interesting phononic properties in the hypersonic region, i.e., at frequencies in the GHz range. It is shown that colloidal systems are excellent model systems for the realization of such phononic materials. Therefore, different structures and particle architectures are investigated by Brillouin light scattering, the inelastic scattering of light by phonons.rnThe experimental part of this work is divided into three chapters: Chapter 4 is concerned with the localized mechanical waves in the individual spherical colloidal particles, i.e., with their resonance- or eigenvibrations. The investigation of these vibrations with regard to the environment of the particles, their chemical composition, and the influence of temperature on nanoscopically structured colloids allows novel insights into the physical properties of colloids at small length scales. Furthermore, some general questions concerning light scattering on such systems, in dispute so far, are convincingly addressed.rnChapter 5 is a study of the traveling of mechanical waves in colloidal systems, consisting of ordered and disordered colloids in liquid or elastic matrix. Such systems show acoustic band gaps, which can be explained geometrically (Bragg gap) or by the interaction of the acoustic band with the eigenvibrations of the individual spheres (hybridization gap).rnWhile the latter has no analogue in photonics, the presence of strong phonon scatterers, when a large elastic mismatch between the composite components exists, can largely impact phonon propagation in analogy to strong multiple light scattering systems. The former is exemplified in silica based phononic structures that opens the door to new ways of sound propagation manipulation.rnChapter 6 describes the first measurement of the elastic moduli in newly fabricated by physical vapor deposition so-called ‘stable organic glasses’. rnIn brief, this thesis explores novel phenomena in colloid-based hypersonic phononic structures, utilizing a versatile microfabrication technique along with different colloid architectures provided by material science, and applying a non-destructive optical experimental tool to record dispersion diagrams.rn

Oligo- und Poly(indenofluorene) : neue Materialien mit einer kleinen Bandlücke

Die Zielsetzung der Arbeit war die Darstellung von Polyindenofluorenen PIF, einer neuen Klasse konjugierter Polymere, die aus Dihydroindenofluoren-Untereinheiten aufgebaut und formal an den Methylenbrücken über exocyclische Doppelbindungen verknüpft sind.Am Anfang stand die Ausarbeitung eines allgemeinen Synthesekonzeptes zum Aufbau von Polymeren mit sterisch gehinderten Doppelbindungen. Mit der Kupplung von geminalen Dichloriden mit Übergangsmetallverbindungen als Reduktionsmittel wurde eine vielversprechende neue Polyolefinierungsmethode gefunden. Diese Synthesemethode zeichnet sich durch eine einfache Durchführung, synthetisch leicht zugängliche Edukte und neutrale Reaktionsbedingungen aus. Es lassen sich selbst bei gespannten Olefinen sehr gute Ausbeuten erzielen. Drei strukturisomere Dihydroindenofluorene wurden als potentielle Strukturbausteine untersucht, die sich durch die Stellung der Methylenbrücken bezüglich des zentralen Phenylrings unterscheiden. Die resultierenden Polymerstrukturen wurden als para-, meta- und ortho-Poly(indenofluorene) bezeichnet.Das Poly(para-indenofluoren) pPIF wurde als ein hochmolekulares und strukturdefiniertes Polymer erhalten. Die über Molekulargewichtsanalyse (GPC) erhaltenen Polymerisationsgrade ergaben Werte von bis zu 55 Wiederholungseinheiten. Die längstwellige Absorptionsbande von pPIF liegt bei circa 800 nm, was einer Bandlücke von 1.45 eV enspricht. Darüberhinaus zeichnet sich pPIF durch eine hohe chemische Stabilität und sehr hohe Löslichkeit aus. Durch den kleinen Bandabstand ließen sich interessante nichtlineare-optische (NLO) Effekte und eine hohe Photoleitfähigkeit erwarten. Da diese Effekte von materialwissenschaftlichem Interesse sind, wurden detailierte Untersuchungen dieser Eigenschaften vorgenommen. Das Poly(meta-indenofluoren) mPIF konnte mit einem Polymerisationsgrad von circa 13 Wiederholungseinheiten dargestellt werden. Bedingt durch die meta-Verknüpfung, die keine Konjugation über den zentralen Phenylring erlaubt, liegt das Absorptionsmaximum, im Vergleich zu pPIF blauverschoben bei 437 nm.Bei Poly(ortho-indenofluoren) oPIF scheiterten alle Versuche zum Aufbau eines Polymers, was mit den, im Vergleich zu pPIF und mPIF, noch stärker gespannten Doppelbindungen zwischen den Indenofluorenen, sprich Untereinheiten, erklärt werden kann. An strukturdefinierten Modellverbindungen von pPIF konnte gezeigt werden, daß eine Konvergenz der elektronischen Eigenschaften beim Nonamer noch nicht erreicht ist. Bei der Auftragung von 1/n gegen Eabs wird, nach linearer Extrapolation, ein Wert von circa 18 für die effe

Beitrag zur trockenen Synthese von MFI-Zeolithen und zeolithanalogen Materialien mit MFI-Struktur

Mit meiner Arbeit leistete ich einen Beitrag zur trockenen Synthese von MFI-Zeolithen und zeolithanalogen Materialien mit MFI-Struktur.Hierfür wurde zunächst ein den speziellen Reaktionsbedingungen der trockenen Synthese angepaßter Autoklav entwickelt, konstruiert und eingesetzt. Mit dem Autoklaven wurde ein Up-Scaling der trockenen Synthese im Rahmen von Al-MFI Synthesen um den Faktor 12 erfolgreich durchgeführt. Pulverdiffraktogramme und REM-Bilder belegten, daß nur geringe Unterschiede zwischen Produkten, die in 50 ml Reaktionsbehältern synthetisiert worden waren, und Produkten, die in 610 ml Reaktionsbehältern synthetisiert worden waren, bestanden. Der Druckaufnehmer des Autoklaven gestattete es, experimentell zu bestimmen, ob der Gesamtdruck während einer Reaktion unterhalb oder am Sättigungsdampfdruck von Wasser lag. Somit konnten trockene Synthesen durchgeführt werden, in deren Reaktionsverlauf garantiert keine wäßrige Phase auftrat. Al-MFI-Synthesen gelangen unter Ausschluß der Bildung einer wäßrigen Phase während der Reaktion. Weiterhin wurde eine chemische Versuchsanlage mit Gasreaktor als Kernstück konstruiert und eingesetzt. Ein Gasgemisch aus Siliziumtetrafluorid und Trimethylamin wurde mit einem wasserdampfgesättigten Stickstoffstrom zur Reaktion gebracht. Die Reaktionszeit war zwar wie gewünscht und erwartet kurz, führte aber nicht zu den mikroporösen Dodecasil 3C Kristallen. Trotzdem wurde mit dieser Arbeit ein erster Schritt in Richtung einer kontinuierlichen Gasphasensynthese von mikroporösen Materialien getan. Am Beispiel der MFI-Struktur wurde untersucht, inwieweit sich Silizium mittels der trockenen Synthese isomorph ersetzen ließ. Der isomorphe Ersatz durch Bor gelang und Titan wurde teilweise tetraedrisch in die MFI-Struktur eingebaut, während Aluminium oktaedrisch an- bzw. eingelagert wurde. Das hieß, daß die trockene Synthese gegenüber hydrothermalen Synthesen eine eingeschränkte Fähigkeit zum Einbau verschiedenster T-Atome besaß. Bis ins Jahr 1995 hing die Kristallinität der Produkte aus trockenen Synthesen von der Qualität einer Vorstufe ab, die experimentell nicht überprüft werden konnte. In meiner Arbeit fand ich zahlreiche Steuerungsparameter der trockenen Synthese hinsichtlich der Kristallinität heraus und machte sie damit kalkulierbar und robust. Außerdem wurde die erste abwasserfreie Synthese eines zeolith-analogen Materials entwickelt. Schließlich wurde der Mechanismus der trockenen Synthese diskutiert

Dielektrische Relaxation und Retardation lokaler Prozesse in glasbildenden Materialien

Lokale sekundäre Prozesse in glasbildenden Materialien sind wegen ihrer Wechselwirkung mit der primären Relaxation von besonderem Interesse. Für D-Sorbitol wurde die beta-Relaxation mit drei verschiedenen dielektrischen Meßtechniken untersucht und die Ergebnisse miteinander verglichen. Im Gegensatz zu konventionellen Messungen der dielektrischen Retardation, detektiert eine echte dielektrische Relaxationsmessung den Zerfall des elektrischen Feldes unter der Bedingung einer konstanten dielektrischen Verschiebung. Eine weitere dielektrische Relaxationsmethode ist die Solvatationsdynamik. Sie detektiert die dielektrische Relaxation in der direkten Umgebung eines Farbstoffmoleküls. Die Übereinstimmung der lokal ermittelten und der makroskopisch gemittelten Ergebnisse für den Glaszustand weisen darauf hin, daß die Sekundärrelaxation in D-Sorbitol eine räumlich homogene Eigenschaft ist. Im Gegensatz zu beta-Prozessen anderer Materialien, zeigt nur der abgeschreckte Glaszustand von ortho-Terphenyl einen sekundären Prozeß. Es wurde beobachtet, daß die beta-Amplitude beim Ausheilen langsam abnimmt und im Gleichgewichtszustand der Flüssigkeit oberhalb der Glasübergangstemperatur völlig verschwindet. Viele glasbildende Materialien, wie z. B. Salol zeigen keinen dielektrischen beta-Prozeß. Im Gegensatz zu Messungen mit Standardkühlraten, zeigt eine stark abgeschreckte Salol-Probe eine symmetrische dielektrische Sekundärrelaxation. Diese neuartige Eigenschaft von Salol verschwindet irreversibel, wenn sich die Temperatur der Glasübergangstemperatur nähert.

Darstellung und Untersuchung von Materialien mit negativem Magnetowiderstand

Mit dem System KCo2-xCuxS2 wurde ein neues magnetoresistives System gefunden. Der negative Magnetowiderstand ist mit der Größenordnung von 10 % in 8 Tesla bei 4 K klein im Vergleich zu Mangan-Perowskiten, jedoch eindeutig intrinsisch.Die magnetische Struktur des Thiospinells Fe0.5Cu0.5Cr2S4 konnte durch Neutronenbeugung, Mößbauer-Spektroskopie sowie begleitende Bandstrukturrechnungen aufgeklärt werden. Ein negativen Magnetowiderstand von 5,5 % nahe der Curie-Temperatur in Magnetfeldern von 8 Tesla bei der isostrukturellen eisenreichen Verbindung Fe0.75Cu0.25Cr2S4 wurde gefunden.Die intermetallischen Verbindungen des Gadoliniums weisen alle hohe negative Magnetowiderstände bei TC auf. Sowohl bei GdAl2 als auch bei GdPdP und GdPtP werden Widerstandsabsenkungen in 8 Tesla beobachtet, die bei ~1,5 TC 4 % erreichen und bis zu Temperaturen von 5 K über 6 % liegen. Während der Transportmechanismus in GdAl2 offenbar auf einer direkten Gd-Gd Wechselwirkung beruht, ist bei GdPdP und GdPtP bei tiefen Temperaturen ein nicht eindeutiges Verhalten beobachtbar. Ein Einfluss von Fremdphasen kann jedoch ausgeschlossen werden.Unter den metallreichen Phosphiden hexagonaler Struktur zeigt Fe2P große negative MR-Effekte von 7 % schon bei Raumtemperatur in hohen Feldern. Nahe der ferromagnetischen Ordnung reagiert die Verbindung auf äußere Felder bei niedrigen Feldstärken von weniger als 2 Tesla mit einer Erhöhung der Leitfähigkeit um 10 bis 11 %.

Synthese, Charakterisierung und Anwendungsbeispiele neuartige poröser Kieselgel-Materialien im Nano- bis Mikrometerbereich mit sphärischer Morphologie

Abstract Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene neue Synthesewege zur Darstellung poröser Kieselgele untersucht. Als porenbildende Template wurden hierzu eine Reihe niedermolekularer und polymerer Verbindungen eingesetzt. Dabei sollten die Teilchenmorphologie und die Parameter der Porenstruktur durch die Bedingungen bei der Reaktion und nicht durch eine Nachbehandlung eingestellt werden. Hauptziel der Arbeit war es, eine Synthese zu entwickeln, bei der durch den Einsatz eines geeigneten Templats sphärische Kieselgelpartikel mit Porengrößen über 10 nm hergestellt werden können. Zusätzlich zur Materialsynthese gelang es Informationen über den Bildungsmechanismus poröser Kieselgele zu erhalten.Weiterhin wurden die Materialien als Säulenmaterial in der Chromatographie, als Adsorbens zur Probensammlung (sample tracking), als Katalysatorträgermaterial und als Marker für Biomoleküle eingesetzt.

Protonenleitung in imidazolhaltigen Materialien als Modellsysteme für wasserfreie Brennstoffzellenmembranen

Es wird ein neues Konzept für ein protonenleitendes Polymer vorgestellt, das ohne eine zweite, flüssige Phase auskommt. Es beruht darauf, basische Gruppen (Imidazol) über flexible Spacer kovalent an ein Polymerrückgrat zu binden und durch Dotierung mit einer geringen Menge Säure Ladungsträger (Protonen) in dieses System einzubringen.Um die für die Leitfähigkeit und ihren Mechanismus verantwortlichen Größen zu identifizieren, wurde ein Satz von niedermolekularen Modellverbindungen definierter Struktur und hoher Reinheit synthetisiert und im reinen Zustand sowie nach Dotierung mit geringen Mengen Säure umfassend charakterisiert. Untersucht wurden die thermischen Eigenschaften, die Leitfähigkeit, die Diffusion der jeweiligen Modellverbindung sowie ggf. der zugesetzten Säure, das Protonierungsgleichgewicht und die dielektrischen Eigenschaften. Insbesondere wurden durch den Vergleich von Leitfähigkeits- und Diffusionsdaten unter Anwendung der Nernst-Einstein-Beziehung Rückschlüsse auf den Leitmechanismus gezogen.Es wurden Leitfähigkeiten von bis zu 6.5E-3 S/cm bei 120°C erreicht. Der Anteil der Strukturdiffusion (vergleichbar mit dem Grotthus-Mechanismus in Wasser) an der protonischen Leitfähigkeit betrug bis zu über 90%. Als entscheidende Faktoren für die Leitfähigkeit wurden die Glastemperatur und, mit geringerer Priorität, der Imidazolgehalt des Materials identifiziert. Die Temperaturabhängigkeit aller untersuchten Transportgrößen ließ sich durch die Vogel-Tamman-Fulcher-Gleichung exzellent beschreiben.Die vorgestellten Daten bilden die Grundlage für den Entwurf eines entsprechenden Polymers.

Neue Materialien für die Magnetoelektronik: Heusler- und Halb-Heusler-Phasen

Heusler- und Halb-Heusler-Phasen konnten als Verbindungsklasse identifiziert werden, neue Materialien für die Magnetoelektronik bereitzustellen. Auf Basis eines theoretischen Modells konnte das Auftreten eines hohen MR-Effekts auf bestimmte Valenzelektronenzahlen (VEK) präzisiert werden. Dazu muß ein dreiteiliger 'Fingerabdruck' in der Bandstruktur (Sattelpunkt, Spindichtewelle, lokales magnetisches Moment) vorliegen. Es existieren eine Vielzahl von halbmetallischen Ferromagneten in dieser Verbindungsklasse. Die variable Valenzelektronenkonzentrationen, die sich auch aus den hochsymmetrischen Strukturen ergeben, erlauben eine gute Dotierbarkeit der Phasen. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Phase exakt mit der geforderten VEK zu synthetisieren. Curietemperaturen > 500 K sind in Hinblick auf die technische Anwendbarkeit notwendig. PdMnTe hat nicht die Voraussetzungen für einen PMR-Effekt in der Bandstrukturrechnung, doch die Nähe zu einer halbmetallischen Zustandsdichte resultiert in einen negativen CMR-Effekt unterhalb des magnetischen Übergangs von MR0 = 18 % bei 4 K. Die Zusammenhänge von Probenpräparation zum magnetischen Sättigungsmoment konnten an Co2CrAl aufgedeckt werden. Die unter Anwendung des vorgestellten Modells synthetisierte Heusler-Phase Co2Cr0.6Fe0.4Al (VEK = 27.8) weisen den erwarteten MR-Effekt auf. Der gemessene PMR-Effekt ist größer als bei den GMR-Systemen (bei geringerer Feldempfindlichkeit) und anderen granularen Materialien wie CrO2 bei 295 K. Co2Cr0.6Fe0.4Al zeigt bei 295 K einen hohen negativen Magnetowiderstand von 30 % bei einem Sättigungsfeld von 0.2 Tesla. Durch die Beimischung von Oxiden und Polymeren sind Komposit-Materialien entwickelt worden, die MR0-Effekte von bis zu 88% mit einer verbesserten Feldempfindlichkeit von 0.1 Tesla bei Al2O3 und 0.05 Tesla bei den Oberflächenbeschichtungen zeigen.

Complex materials via colloidal crystallization

The work presented in this thesis deals with complex materials, which were obtained by self-assembly of monodisperse colloidal particles, also called colloidal crystallization. Two main fields of interest were investigated, the first dealing with the fabrication of colloidal monolayers and nanostructures, which derive there from. The second turned the focus on the phononic properties of colloidal particles, crystals, and glasses. For the fabrication of colloidal monolayers a method is introduced, which is based on the sparse distribution of dry colloidal particles on a parent substrate. In the ensuing floating step the colloidal monolayer assembles readily at the three-phase-contact line, giving a 2D hexagonally ordered film under the right conditions. The unique feature of this fabrication process is an anisotropic shrinkage, which occurs alongside with the floating step. This phenomenon is exploited for the tailored structuring of colloidal monolayers, leading to designed hetero-monolayers by inkjet printing. Furthermore, the mechanical stability of the floating monolayers allows the deposition on hydrophobic substrates, which enables the fabrication of ultraflat nanostructured surfaces. Densely packed arrays of crescent shaped nanoparticles have also been synthesized. It is possible to stack those arrays in a 3D manner allowing to mutually orientate the individual layers. In a step towards 3D mesoporous materials a methodology to synthesize hierarchically structured inverse opals is introduced. The deposition of colloidal particles in the free voids of a host inverse opal allows for the fabrication of composite inverse opals on two length scales. The phononic properties of colloidal crystals and films are characterized by Brillouin light scattering (BLS). At first the resonant modes of colloidal particles consisting of polystyrene, a copolymer of methylmethacrylate and butylacrylate, or of a silica core-PMMA shell topography are investigated, giving insight into their individual mechanical properties. The infiltration of colloidal films with an index matching liquid allows measuring the phonon dispersion relation. This leads to the assignment of band gaps to the material under investigation. Here, two band gaps could be found, one originating from the fcc order in the colloidal crystal (Bragg gap), the other stemming from the vibrational eigenmodes of the colloidal particles (hybridization gap).