Preparation, structural analysis, and electrochemical performance of a new cathodic battery material, consisting of a nanocomposite of poly(vinylferrocene) (PVFc) (Eox: 0.4 V vs. Ag/AgCl) and reduced graphene oxide (rGO), are described. The nanocomposite shows the highest charge-discharge efficiency (at a rate of 100 A g-1) ever reported for any organic / organomatellic battery material. Remarkably, the composite is “thickness scalable” up to 0.21 mAh cm-2 (770 mC cm−2 at 29 μm film thickness) on a flat surface with > 99% coloumbic efficiency, exhibiting a specific capacity density of 114 mAh g−1. The composite material is binder free and the charge storing material (PVFc) accounts for > 88% of the total weight of the cathodic material. The secret behind such a performance is the electrostatic interaction between the redox polymer in its oxidized state (exhibiting positive charge) and the original filler i.e., graphene oxide (GO) with negative surface charge. This self-assembling step is analyzed by zeta potential measurements, and a modeling study confirms the experimentally found heavy polymer loading on the GO (in aqueous solution). The efficient self-assembly led to composites with high ratio of redox polymer / GO where all polymers are in close contact with GO sheets. The stable colloidal solution was casted on the surface of a flat current collector and the insulating GO was electrochemically transformed to conductive reduced graphene oxide (rGO). The GO / rGO transformation was catalyzed by methyl viologen dichloride (MV++) working as a redox shuttle (solublized in the aqueous electrolyte) and thereby accelerating the electron transfer to GO. Complete GO / rGO transformation and the quantitative ion breathing of the composite are found by means of electrochemical quartz crystal microbalance and electrochemical AFM.

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals ein transparentes elektrochromes Display (ECD) höchster Auflösung (720 dpi) beschrieben. Die Entwicklung erforderte grundlegende Arbeiten an den einzelnen Komponenten, insbesondere (i) an der Arbeitselektrode und (ii) an der Gegenelektrode.Die Arbeitselektrode des ECD enthält ein digital festgelegtes elektrochromes Bild, welches mit Hilfe der Ink-Jet-Technik nach verschiedenen Methoden übertragen wurde. Der Druck eines Bildpositivs mit elektrochromer Tinte (Viologen) auf eine mit mesoporösem TiO2 beschichtete Glaselektrode lieferte dabei die besten Ergebnisse. Mit verschiedenen Elektrochromophoren konnten Mehrfarbendrucke erzeugt werden. Als Problem trat dabei auf, daß das Bild in einem ECD nach vier Monaten Lagerung unscharf wird. Die Lösung bestand darin, einen Viologenvorläufer zu drucken, der in einer anschließenden kaskadenartigen Synthese quervernetzt wurde. Zur weiteren Optimierung der Parameter (i) berflächenkonzentration der Viologenzentren, (ii) Stabilität gegenüber polaren Lösemitteln und (iii) Pimerisierungsgrad, wurden erstmals auch kombinatorische Experimente mit einem Ink-Jet Drucker durchgeführt. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung transparenter Gegenelektroden, welche auf dem Prinzip der Lithiumioneninterkalation in CeO2 basieren. Dazu wurde ein bereits bekannter Typ von CeO2-TiO2-Mischoxidelektroden weiterentwickelt. Ein in dieser Arbeit neu entwickelter Typ einer Gegenelektrode mit verbesserter Kinetik besteht aus einem Zweiphasenoxidgemisch, mit CeO2 auf der inneren Oberfläche einer mesoporösen, antimondotierten SnO2-Schicht (ATO). Aus den Einzelkomponenten wurden verschiedene ECDs zusammengesetzt.

Nano-structured materials are widely applied for various applications like photovoltaics, electrochromics and sensors. A challenging task in all these fields is the functionalization of these materials with a molecule of interest for the desired application. This work demonstrate the post grafting of the most important and commonly used nano-structured material, mesoporous TiO2, with different bifunctional molecular linkers. These compounds basically have two functional groups, the phosphonic acid group which coordinates to the TiO2 surface and a positive and negative head group which controls the surface charge and the potential interaction of the surface with species in solution. These two groups are systematically separated by alkyl group of different chain length which controls the hydrophobicity of the surface. It is shown that the new surface modification technique simplifies the molecular requirements for functional surface modifiers considerably. Using a limited set of organic anchors with adjustable head group charge and hydrophobicity, broad range of molecules can be adsorbed onto TiO2. Different applications based on such modified surfaces were explored and demonstrated. The modified surfaces can be used to incorporate different charged guest molecules, electrochromophores and dyes which enable to probe their electrochemistry and photovoltaic properties on the surface. Supra-molecular self assembly inside the modified pores is possible which can be monitored by different methods. The study includes the prepartaion of the modified surfaces and their characterization using different electrochemical methods, FTIR spectroscopy, Quartz Crystal Microbalance, Contact angle and Scanning Electron Microscopy measurements.

Die Arbeit Synthese dendritischer Redoxverbindungen und deren Einsatz in der Bioanalytik beschreibt die Synthese von Dendrimeren und Dendronen mit benzylisch N-quarternisierten 4,4 -Bipyridinium-Verbindungen (Viologenen) im dendritischen Gerüst. Weiterhin werden Synthesen neuer Nitrilotriessigsäure (NTA)-Verbindungen synthetisiert, die eine disulfidische Gruppe oder einen Pyrrolrest besitzen.Sensorik: Es gelang, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Wieczorek, mittels eines massenspezifischen Sensorsystems (QCM) die Analyse zweier Proteine (G-Aktin und C-Untereinheit) bezüglich ihrer Interaktion und Stöchometrie nachzuweisen.NTA modifizierte Elektroden: Es wurden verschiedene NTA-Verbindungen auf Goldelektroden immobilisiert und mittels elektrochemischen Methoden und XPS beschrieben. Darüber hinaus gelang eine NTA Modifizierung einer GC-Elektrode. Eine Polypyrrolfilm-Elektrode, welche aktivierte Propansäureesterseitenkette besitzt, wurde mit Aminobutyl-NTA (AB-NTA) verknüpft. Diese modifizierte Elektrode zeigt reversible Nickelionen Aufnahme bzw. Abgabe.Im Bereich der Multielektronen- bzw. hoch geladenen Labels für Proteine wurden kegelförmige, dendritische Viologenderivaten mit funktionalisierten Fokalpunkt hergestellt und diese mit Proteinen derivatisiert (u.a. Cytochrome C). Der Nachweis der nunmehr pH-unabhängigen Oberflächenladungen des Proteins wurde nachgewiesen. (P. Schön et. al., JACS 2005, 127, 11486).

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anorganische, organische und biologische Makromoleküle und Nanomaterialen mit elektrochemischen und mikrogravimetrischen Methoden untersucht. Neue Peroxo-Zr(IV)/Hf(IV)-Polyoxometallate konnten erstmals elektrochemisch charakterisiert und ihr Potential als Oxidations- und Elektrokatalysatoren demonstriert werden. In cyclovoltammetrischen Messungen der Polyoxometallate (POMs) konnten die Peroxofunktionen anhand ihres irreversiblen Reduktionsstroms identifiziert werden, während die POM-Liganden den typischen reversiblen Strom ihrer W(VI/V)- Redoxsysteme zeigten. Die zugehörigen Ladungsmengen der kathodischen Halbreaktionen wurden mittels Coulometrie verifiziert. Die Sauerstofftransferaktivitäten der Peroxo-Zr/Hf-Polyoxometallate auf die Sulfid- bzw. Sulfoxidfunktion der organischen Modellsubstrate Methionin und Methioninoxid konnten mittels Cyclovoltammetrie und hydrodynamischer Voltammetrie mit einer rotierenden Scheibenelektrode über den abnehmenden kathodischen Stroms der Peroxofunktionen überwacht werden. Mittels CV- und UV/VIS-pH-Titrationen wurden zwei POM-Säurekonstanten ermittelt. Neue Preyssler-Polyoxometallat-Multilayer wurden nach dem Layer-by-Layer-Verfahren auf einer ITO-Quarzglasoberfläche adsorbiert und cyclovoltammetrisch charakterisiert. Es gelang der Herstellung der ersten Polyoxometallat-Viologendendrimer- und Polyoxometallat-Trimethylendipyridiniumdendrimer- Multilayer. In den Cyclovoltammogrammen der Multilayer fiel die Zuordnung der Wellen zu den einzelnen Redoxsystemen von Polyanion- und Polykationkomponente aufgrund von Überlagerung der Redoxsignale und deren starke gegenseitige Beeinflussung schwer. Mittels numerischer Integration konnten aus den Multilayer-Cyclovoltammogrammserien die geflossenen Ladungsmengen und Oberflächenbedeckungen berechnet werden. Ihr linearer Anstieg zeigt den linearen Stoffmengenzuwachs während der sukzessiven Adsorption der Polyanion-Polykation-Doppelschichten sowie die elektrochemische Zugänglichkeit aller Redoxzentren in den Mulitlayerverbundmaterialien. Die rekombinante Untereinheit C der VATPase wurde auf einer SAM-modifizierten Quarzkristallmikrowaage (QCM) spezifisch immobilisiert und mikrogravimetrisch detektiert. Die spezifische Bindung der Untereinheit C an die binäre Alkanthiolat-Matrix erfolgte über die Ni2+-komplexierte NTA-Funktion von Thiol 1, bei gleichzeitiger Unterdrückung der unspezifischen Proteinadsorption durch die Tetraethylenglykolfunktion von Thiol 2. Als Grund für die mit der QCM nicht nachweisbare biochemische Wechselwirkung von Untereinheit C und G-Aktin wurde eine sterische Blockade der Aktin-Bindungsstellen der auf der Matrixoberfläche immobilisierten Untereinheit C angenommen.

This doctoral thesis focuses on synthesis of rigid star-shaped and rod-like viologen oligomers. The work is divided in two parts: synthesis, characterization and electropolymerization of star-shaped (i) and rod-like viologens oligomers (ii). In the first part the synthesis of viologen stars consisting of a phenyl core with triple 1,3,5-branching, each branch consisting of a linear alternating series of diphenyl (PhV++) and dibenzyl (BnV++) viologens and a variety of peripheral groups –X (Br, OH), is presented. A new electrochemical method of electrode modification (Gold, GC, ITO and CNTs) with viologen derivatives based on a benzyl radical coupling mechanism is described. The radicals are excessively generated at the star periphery resulting in a highly cross-linked polyviologen film with persisting star subunits. It is characterized by CV, STM and UV-Vis methods. Redox-titration experiments monitored by UV-Vis reveals that the reduction of the viologen stars begins at the periphery with the formation of PhV+•, continues with generation of BnV+• and ends with the reduction of the radical cations in the same sequence. Thus, viologen stars combine the unique redox and electrochromic property of isolated phenyl and benzyl viologen in one molecule. The second part of the thesis focuses on the step-wise synthesis of a library of rigid rod-like conjugated difunctional viologen/diphenyl oligomers with varying chain lengths including different side chain substitution. All oligomers are soluble in DMSO or MeOH depending on the counter anion (PF6- or Cl-). In order to tune the solubility of the oligomers, the side chains are tailored as methoxy, butoxy and oligo(ethylene oxide). The most solubilizing side-chains are of the oligo(ethylene oxide) type. All viologen oligomers are characterized by means of 1H-NMR, 13C-NMR, elemental analysis, optical spectroscopy and cyclic voltammetry. A simple surface functionalization and grafting technique has been developed for covalent binding of the viologen oligomers onto various conductive substrates e.g.: Au, GC and ITO. These modified electrodes are suitable for potential applications in designing field-effect transistors, sensors and supercapacitors. The polymer layers are characterized by means of FT-IR, STM, XPS and CV. The combined results presented in thesis represent a major advance in electrode functionalization by n-dopable viologen polymers and herald a variety of potential applications that make use of n-type semiconductors.

Das epitaktische Wachstum von III-V Verbundhalbleitern aber auch von Germaniumpufferschichten auf Germaniumsubstraten bildet bspw. das Fundament zur Herstellung von Triple bzw. Multi Junction Solarzellen. Dies erfolgt mittels etablierter Verfahren, wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die Germaniumsubstrate liegen üblicherweise in Form von Wafern einer Dicke von mehr als 150 µm vor. Um die Solarzellen bspw. entsprechend ihrer Anwendungsgebiete im Weltraum oder der Mikroelektronik zu optimieren, bedarf es einer signifikanten Schichtdickenreduzierung. Standardprozesse, die dies gewährleisten beinhalten chemische, wie auch mechanische Arbeitsschritte, die sich überaus nachteilig auf eine Wiederverwendung der abgetragenen Germaniumschicht auswirken. Eine Möglichkeit das Germaniumsubstrat auf eine Zieldicke von einigen Mikrometern zu minimieren, sowie die Verwendung des restlichen Germaniumsubstrats zu gewährleisten basiert auf der Herstellung eines porösen Germaniumschichtstapels, sowie einem anschließenden Hochtemperaturprozess. Dieses Verfahren wird als Layer Transfer Prozesses (LTP) bzw. Lift-off bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird die bipolare elektrochemische Porosifikation p-dotierter Germaniumsubstrate in wässriger Flusssäure, sowie das Tempern mesoporöser Schichtstapel unter Wasserstoffatmosphäre untersucht. Dabei sollte allgemein ein tieferes Verständnis des Ätzvorgangs, sowie der resultierenden porösen Schichten in Abhängigkeit der Ätzparameter erfolgen. Diesbezüglich wurden zunächst Ätzexperimente unter Verwendung konstanter Parameter, sogenannte einstufige Ätzexperimente, durchgeführt. Die Ätzstrome lagen für alle Experimente bei (0.25 – 7) mA/cm2 unter Verwendung der Pulsdauern von (0.25 – 2) s und Gesamtprozessdauern von bis zu 230 Minuten. Es hat sich gezeigt, dass unter Verwendung konstanter Parameter die Herstellung eines porösen Schichtstapels im Sinne eines Lift-off Prozesses ausgeschlossen ist. Focussed Ion Beam Milling Experimente an ausgewählten porösen Schichten, basierend auf einstufigen Ätzexperimenten, konnten allerdings die Porositätsverläufe in Abhängigkeiten der porösen Schichtdicke offenbaren. Auf diese Weise konnten die verästelten (Pinetree & Fishbone), sowie schwammartigen (Sponge) porösen Strukturen aufgrund von Porositätswerten zwischen 0% - 50% als potenzielle Epitaxievorlagen nach dem Tempern identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bedingung zur Durchführung erfolgreicher Focussed Ion Beam Milling Experimente in besonderem Maße von der Probendicke, sowie der Beschleunigungsspannung der Galliumkationen abhängt. Auf diese Weise generierte „Stapel“ an REM-Bildern wurden anschließend zur 3D-Rekonstruktion der verästelten Struktur herangezogen. Des Weiteren konnte mit Hilfe der Polystyrol-Infiltration ausgewählter poröser Schichten, deren anschließender Kalteinbettung in Kunststoff, einem Schleifvorgang, sowie anschließender Auflösung des Kunstoffs in Toluol, eine weitere Charakterisierungsmethode etabliert werden. Diese erlaubt es Einflüsse auf die poröse Schicht, bspw. Brechartefakte oder unebene Bruchstellen, zu vernachlässigen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der überaus kürzeren Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der Porositätsverläufe in Abhängigkeit der porösen Schichtdicke im Vergleich zum Focussed Ion Beam Milling. Weiterhin wurden basierend auf den Erkenntnissen der einstufigen Ätzexperimente zwei- und mehrstufige Ätzexperimente durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die poröse Schichtform und Porosität nach dem ersten Ätzprozess ausschlaggebend für das Resultat nach dem bzw. den Anschlussprozess(en) ist. So tendieren hochporöse schwammartige Strukturen zu einer Steigerung der Porosität, sowie einer Transformation zu einer dendritischen Form. Überwiegt zusätzlich die Ätzpulsdauer die Passivierpulsdauer kommt es beinahe bei jeglicher porösen Ausgangsschicht zu einer Ablösung der porösen Gesamtschicht nach dem Anschlussprozess. Eine Transformation der Ausgangsschicht erfolgte nicht für das Vorliegen einer niederporösen verästelten Struktur, sowie einer kürzeren Ätzpulsdauer als der Passivierpulsdauer für alle anschließenden Ätzprozesse. Zusätzlich konnte die Verwendung eines Passivierprozesses dazu beitragen, poröse Schichten sukzessive herzustellen ohne eine signifikante Veränderung der bereits vorliegenden Schichten herbeizuführen. In diesem Sinne gelang eine gezielte Steigerung der Porosität im Sinne des Lift-off Prozesses. Die Wirkungsweise der Anschlussprozesse konnte auf das Vorliegen verschieden ausgedehnter und an Ladungsträger verarmter Zonen währen des Ätz- bzw. Passivierpulses in Kombination mit der Hydroxid-Passivierung der Germaniumoberflächenatome zurückgeführt werden. Sodann erfolgte das Tempern von drei verschiedenen porösen Schichtstapeln bestehend aus verästelten und schwammartigen Strukturen bei Temperaturen von 700 °C & 800 °C für 30 Minuten unter Wasserstoffatmosphäre. Es hat sich gezeigt, dass niederporöse verästelte Strukturen als Diffusionsbarriere wirken und zugleich beim Vorhanden hochporöser schwammartiger Strukturen eine Diffusion lateral zur Waferoberfläche begünstigen kann. Rasterkraftmikroskopuntersuchungen konnten weiterhin bestätigen, dass die quadratische Rauigkeit der Oberfläche bei einer Annealingtemperatur von 800 °C und insbesondere beim Vorliegen niederporöser verästelter Strukturen in unmittelbarer Nähe der Waferoberfläche sinkt. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis für die Herstellung verschiedener poröser Germaniumschichten. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Annealingexperimenten können diese gezielt zur Herstellung eines Schichtstapels im Sinne des Lift-off Prozesses verwendet werden. Erste Epitaxieexperimente von InGaAs und InGaP zeigten anhand der ermittelten Threading Dislocation Densities (TDD) bereits einen vielversprechenden Trend auf.

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