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This thesis presents the results of experimental investigations of the vertical and lateral properties of polyelectrolyte multilayer films (PEMs) adsorbed on a solid support. PEMs are a new class of organic thin films based on self-assembly layer-by-layer (LbL) processes of oppositely charged polyelectrolytes (charged polymers). The LbL assembly technique allows precise control of film thickness within a few nanometers and makes PEM systems especially interesting for technical applications. Thin films are prepared by alternating exposure of a hydrophilic substrate to solutions of oppositely charged polyelectrolytes. In this work, synthetic polycation poly (allylamine hydrochloride) (PAH) and polyanion poly (styrene sulfonate) (PSS) have been used. Range and amplitude of the electrostatic force during PEM build-up, has been shielded by use of high salt concentration in the deposition solution. As a foundation of any theory, role of non-elecrostatic (secondary) forces is explored. Four complementary methods have been combined to investigate the properties and composition of PEMs. X-ray reflectivity is sensitive to electron density gradients, and therefore provides information about film thickness, average electron density and interfacial roughness between materials of different electron densities (like PEM and air). Neutrons are the unique probe that is sensitive to the internal order of the multilayers (scattering length density variation) due to selective deuteration of the layers (PSS replaced by PSS_d). Therefore neutron reflectivity at V6 beamline, at the research reactor BER II, Helmholtz Centre for Materials and Energy (former Hahn-Meitner-Institute), was used in this work. Ultraviolet-visible (UV-Vis) light induces the characteristic absorption peak of polyelectrolytes and metallic nanoparticles, therefore with UV-Vis absorption spectroscopy is possible to probe the aggregation of metallic nanoparticles embedded into PEM by measuring their absorption spectra (imaginary part of the refraction index). Atomic force microscopy (AFM) allows to observe lateral structures at nano-level and to obtain surface topology of the films. Application of only small forces (pN) is achieved by use of a intermittent contact (tapping) mode in air. Summarizing the main results, the unambiguous parametrization of the investigated system for neutron reflectivity measurements enables to obtain detailed information about internal interfaces. New approach for polyelectrolyte multilayer architectures consisting of thick protonated and deuterated blocks can be used in order to distinguish different zones of the thin film growth which can be described as precursor and core zones. Thus, almost no bound water is found in precursor layers at 0% relative humidity, which suggests that water is mobile and the precursor layer is not in the glassy state like in the central zone of the PEM. Swelling behaviour of the PEMs (reversibility of the swelling) can be understood in terms of equilibrium reactions. Explored influence of temperature and type of salt used during preparation contributes to a better understanding of the formation of PEMs. The dependence of the film thickness on preparation temperature, concentration and the type of salt can be described by the hydrophobic nature of the effect. Experimental observations demonstrate that it is possible to decrease both the range and the amplitude of the electrostatic force by using an ion concentration of at least 0.1 mol/L in the solution. The role of secondary interactions such as hydrophobic attraction of the chains that can overcome electrostatic repulsion and become the major contributing factor for the layer formation and resulting structures is emphasized.
Ein System zu Abscheidung intermetallischer Cu-Ti basierter Schichten durch Magnetronsputtern wurde entworfen, aufgebaut und plasmadiagnostisch charakterisiert. Die duale, extern schaltbare Leistungselektronik mit hoher Parallelkapazität erlaubt den Pulsbetrieb beider Magnetrons gegeneinander mit beliebiger Frequenz f, Tastgrad t_a/T und Pulsverzögerung t_d. Auf diese Weise kann neben konventionellen Pulsmodi (dual-MS: f = 4.6 kHz, t_a/T = 50 %) das Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (dual-HiPIMS: f = 100 Hz, t_a/T = 1 %) realisiert werden. Außerdem können die unterschiedlichen Sputterausbeuten von Ti und Cu durch individuell einstellbare mittlere Entladungsströme kompensiert werden. Die Entladungscharakteristika zeigen besonders hohe temporäre Ströme (I > 50 A) während HiPIMS. Langmuir-Sondenmessungen bestätigen höhere Elektronendichten (n_e = 10^18 m^-3) und eine breitere Elektronenenergieverteilung im Vergleich zu dual-MS. Als Folge kommt es zur verstärkten Ionisierung und Anregung von Plasmaspezies, nachgewiesen durch optische Emissionsspektroskopie (OES). Spektral integrierte OES wurde zur Beschreibung der räumlich und zeitlichen Entladungsentwicklung herangezogen, während mittels Gegenfeldanalysator die für die Schichtbildung wichtige Ionengeschwindigkeitsverteilung zeitaufgelöst erfasst wurde. Die gewonnenen Schichten wurden röntgenographisch analysiert und deren Eigenschaften in Hinblick auf ihre Bildung unter verschiedenen Entladungsmodi gedeutet. Schichtdicke, Kristallinität und Dichte zeigen eine klare Abhängigkeit vom Entladungsmodus mit vorwiegend höherer Güte durch HiPIMS. Die Variation des mittleren Cu-Entladungsstromes erlaubt Einfluss auf die Schichtzusammensetzung, maßgeblich für praktische Anwendungen. Des Weiteren wurden Kompositschichten auf Basis von Cu-Nanopartikeln (Cluster) eingebettet in einem dielektrischen Matrixmaterial (TiO2) synthetisiert und untersucht. Zunächst wurde das Cu-Clusterwachstum durch ein neues Buffergas-Pulsverfahren zeitaufgelöst untersucht und die damit einhergehende Performance der Partikelquelle auf Basis eines einfachen Modells evaluiert. Als Resultat kann die Größen-/Massenverteilung und damit die Eigenschaften der Cluster auf einfache Weise beeinflusst werden. Schließlich wurden die Cu-TiO2-Kompositschichten in einem eigens angefertigten Co-Depositionssystem erstellt. Dabei werden die aus der Gasaggregationsquelle emittierten Cu-Cluster simultan zu reaktiv (mit O2) gesputtertem Ti abgeschieden. Separat abgeschiedene Cu-Cluster zeigen vorwiegend polykristallines fcc-Cu, dass an Luft oder unter Zugabe von molekularem O2 oberflächlich Cu2O ausbildet. Während auch das separat reaktiv abgeschiedene Ti Titandioxid (TiO2) bildet, weist das Cu im Nanokomposit grundlegende strukturelle Unterschiede auf: Im Komposit liegt kein metallisches Cu mehr vor, stattdessen ist es vollständig zu CuO konvertiert. Dies ist auf die Anwesenheit eines reaktiven Sauerstoffplasmas beim Co-Depositionsprozess zurückzuführen. Es konnte gezeigt werden, dass molekularer O2 lediglich eine diffusionsbegrenzte Menge Cu2O erzeugt, während entladungsaktivierte Sauerstoffspezies zur völligen Durchoxidation der Cu-Cluster zu CuO führt. Dies ist eine wichtige Erkenntnis für die zukünftige Herstellung ähnlicher Komposite.