Techn. University, Diss., 2002--Berlin.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung von Wasserstoffsorptionsphänomenen an Kohlenstoffmodifikationen, welche in der Literatur kontrovers diskutiert werden. Ziel war, die publizierten Ergebnisse nachzuvollziehen, die Phänomene zu erklären und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen herzustellen. Dabei wurde zum Einen die Sorption von Wasserstoff an Graphit-Nano-Fasern und zum Andern die Sorption von Wasserstoff an alkalisalzdotiertem Graphit untersucht. Es konnte mit der vorliegenden Arbeit zweifelsfrei nachgewiesen werden, dass die zunächst publizierten Ergebnisse zur Wasserstoffspeicherung in Graphit-Nano-Fasern in keiner Weise realisierbar sind. Es wurde jedoch im Rahmen dieser Arbeit eine ungewöhnliche Sorptionscharakteristik der Graphit-Nano-Fasern gefunden. Des weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit festgestellt, dass die von Chen et. al. publizierten Ergebnisse zur Wasserstoffspeicherung an Lithium dotiertem Graphit zum großen Teil auf eine Reaktion mit Feuchtigkeit zurückzuführen sind. Jedoch konnte weiterhin eine deutliche Massenzunahme mit gereinigtem Wasserstoff nachgewiesen werden. Es ist anzunehmen, dass dieses Verhalten mit den insitu gefundenen neuen Phasen der Proben zusammen hängt.

In this thesis Graphit-iC™, an amorphous carbon coating developed by Teer Coatings Ltd. was modified and deposited onto CoCr and WHMWPE substrates in order to improve the wear properties. It was identified that depositing a hard coating onto soft substrate would cause high stresses and lead to coating delamination. Consequently the polyethylene substrates were ion implanted with nitrogen to reduce the hardness differential at the substrate-coating boundary. The coating was characterised using a pin on disc method in order to determine wear and friction. Hardness and fatigue was characterised using nano-indentation and the coating adhesion was measured using scratch testing. Application of the coatings resulted in a significant reduction in wear. Wear factors as low as 3.65x10¯18m³/Nm were achieved for coated CoCr substrates compared to 3.53x10¯15m³/Nm reported in the literature for uncoated CoCr. The coating resulted in friction coefficients between 0.12 and 0.19 with hardness ranging from 6.65 and 15.63GPa. Similarly coating UHMWPE resulted in a reduction in the wear factor to less than 9.6x10¯17m³/Nm. It was concluded that the deposition of amorphous carbon coatings can improve wear of hip joint prostheses, although consideration must be made for the adhesion of the coating to the substrate so that it does not contribute to an early failure of the device. Improved adhesion can be achieved by reducing the hardness differential between the coating and adhesion, either through softening the coating or by using interlayers.

Natural graphite from cheap and abundant natural sources is an attractive anode material for lithium ion batteries. We report on modifications of such a common natural graphite, whose electrochemical performance is very poor, with solutions of (NH4)2S2O8, concentrated nitric acid, and green chemical solutions such of e.g. hydrogen peroxide and ceric sulfate. These treatments resulted in markedly im-proved electrochemical performance (reversible capacity, coulombic efficiency in the first cycle and cycling behavior). This is attributed to the effective removal of active defects, formation of a new dense surface film consisting of oxides, improvement of the graphite stability, and introduction of more nanochannels/micropores. These changes inhibit the decomposition of electrolyte solution, pre-vent the movement of graphene planes along a-axis direction, and provide more passage and storage sites for lithium. The methods are mild, and the uniformity of the product can be well controlled. Pilot experiments show promising results for their application in industry.

Techn. University, Diss., 2004--Dresden.

Measuring with high precision the electrical resistance of highly ordered natural graphite samples from a Brazil mine, we have identified a transition at ∼350 K with ∼40 K transition width. The steplike change in temperature of the resistance, its magnetic irreversibility and time dependence after a field change, consistent with trapped flux and flux creep, and the partial magnetic flux expulsion obtained by magnetization measurements, suggest the existence of granular superconductivity below 350 K. The zero-field virgin state can only be reached again after zero field cooling the sample from above the transition. Paradoxically, the extraordinarily high transition temperature we found for this and several other graphite samples is the reason why this transition remained undetected so far. The existence of well ordered rhombohedral graphite phase in all measured samples has been proved by x-rays diffraction measurements, suggesting its interfaces with the Bernal phase as a possible origin for the high-temperature superconductivity, as theoretical studies predicted. The localization of the granular superconductivity at these two dimensional interfaces prevents the observation of a zero resistance state or of a full Meissner state.

The existence of superconductivity in graphite has been under discussion since the 1960s when it was found in intercalated graphitic compounds, such as C8K, C8Rb and C8Cs. However, it was only about 40 years ago when the existence of superconductivity in pure graphite came up. In this work we directly investigate the interfaces highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) has in its inner structure, since they play a major role in the electronic properties. The results obtained after studying the electrical transport provide clear evidence on granular superconductivity localized at the interfaces of graphite samples. Zero resistance states, strong current dependence and magnetic field effect on the superconducting phase support this statement. Additionally, an abrupt reduction in the measured voltage at temperatures from 3 to 175 K has been observed. However, the upper value of this transition temperature seems to not have been reached yet. A possible method to enhance it is to increase the carrier density of graphite samples. In order to preserve to quasi-two-dimensional structure of highly oriented pyrolytic graphite, chemical doping has been dismissed in the frame of this work. We used an external electric field to move the Fermi level and, hence, try to trigger superconductivity in multi layer graphene samples. A drop on the resistance at around 17 K has been measured for a large enough electric field applied perpendicular to the graphene planes. This transition is strongly affected by magnetic field and only appeared at low temperatures. As a result of the studies included in this work, it appears clear that graphite has a superconducting phase located at certain interfaces with a very high transition temperature.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind ultradünne Filme organischer Moleküle auf anorganischen Substraten. Adsorbate wurden in Bedeckungen von Submonolagen bis hin zu Multilagen mittels Raster-Tunnel-Mikroskopie und Spektroskopie untersucht. Ergänzt wurde die Strukturaufklärung durch die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED). Im Mittelpunkt stehen in-situ Untersuchungen von im UHV aufgedampften Schichten. Darüberhinaus werden Experimente zur Erzeugung, Abbildung und Manipulation selbstassemblierter Monolagen an der flüssig-fest Grenzfläche beschrieben. Als Modell-Substanzen wurden Coronen, Zinn- und Palladium-Phthalocyanin, Naphthalocyanin sowie Trimesinsäure ausgewählt. Auf Ag(111) konnte bei geringer Bedeckung des planaren Coronens die Wechselwirkung mit dem Oberflächenzustand anhand von stehenden Elektronenwellen nachgewiesen werden. Sowohl auf Ag(111) als auch auf Graphit(0001) konnten für Coronen Monolagen kommensurable Überstrukturen gefunden werden. Für Palladium- und Zinn-Phthalocyanin offenbarte sich auf Ag(111) die Koexistenz von geordneten und ungeordneten Phasen. Wobei es für Palladium-Pc sowohl in der kristallinen als auch in der ungeordneten Phase Indizien für eine höhere Mobilität der Moleküle gibt. Im Fall des nicht planaren Zinn-Pc konnten zwei verschiedene Adsorptionsgeometrien des Moleküls mit dem STM eindeutig unterschieden werden. Die etwas größere Molekülstruktur des Naphthalocyanins bedingt eine Herauf-Skalierung der Einheitszelle, wie sie typischerweise bei Phthalocyaninen beobachtet wird. Ferner ließ sich eine eindeutige Abhängigkeit des intramolekularen Kontrastes vom Vorzeichen der Tunnelspannung durch zweimaligen Wechsel der Polarität im selben Bild zweifelsfrei belegen. Hierbei konnten die submolekularen Strukturen mit simulierten Molekülorbitalen isolierter Moleküle interpretiert werden. Bei den durch Wasserstoffbrücken-Bindungen stabilisierten offenen Netzwerken der Trimesinsäure (TMA) auf Graphit konnte je nach Lösungsmittel an der flüssig-fest Grenzfläche entweder die "Flower"- oder "Chickenwire"-Struktur eingestellt werden. Zudem konnte die Eignung dieser Schicht als Wirt-Gast-System durch die Einlagerung von C60-Fullerenen und Coronen demonstriert werden. Außerdem gelang die Manipulation einzelner C60 im TMA-Templat mit der STM-Spitze in flüssiger Umgebung bei Raumtemperatur.