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Single-crystalline nanostructures often exhibit gradients of surface (and/or interface) curvature that emerge from fabrication and growth processes or from thermal fluctuations. Thus, the system-inherent capillary force can initiate morphological transformations during further processing steps or during operation at elevated temperature. Therefore and because of the ongoing miniaturization of functional structures which causes a general rise in surface-to-volume ratios, solid-state capillary phenomena will become increasingly important: On the one hand diffusion-mediated capillary processes can be of practical use in view of non-conventional nanostructure fabrication methods based on self-organization mechanisms, on the other hand they can destroy the integrity of nanostructures which can go along with the failure of functionality. Additionally, capillarity-induced shape transformations are effected and can thereby be controlled by applied fields and forces (guided or driven evolution). With these prospects and challenges at hand, formation and shape transformation of single-crystalline nanostructures due to the system-inherent capillary force in combination with external fields or forces are investigated in the frame of this dissertation by means of atomistic computer simulations. For the exploration (search, description, and prediction) of reaction pathways of nanostructure shape transformations, kinetic Monte Carlo (KMC) simulations are the method of choice. Since the employed KMC code is founded on a cellular automaton principle, the spatio-temporal development of lattice-based N-particle systems (N up to several million) can be followed for time spans of several orders of magnitude, while considering local phenomena due to atomic-scale effects like diffusion, nucleation, dissociation, or ballistic displacements. In this work, the main emphasis is put on nanostructures which have a cylindrical geometry, for example, nanowires (NWs), nanorods, nanotubes etc.

В работе был проведен комплекс исследований состава, структуры, магнитных свойств и гигантского магнитного импеданса (ГМИ) многослойных пленочных структур, необходимый для их использования как чувствительных элементов датчиков слабых магнитных полей. Структуры получались методом ионно-плазменного распыления. Исследовались и пленочные структуры в стандартной геометрии, и элементы в виде полосок в геометрии ГМИ элементов. ГМИ конфигурация представляет собой трехслойную пленку типа магнитный слой - проводящий немагнитный слой - магнитный слой при равной толщине каждого из слоев. Магнитный слой может быть заменен многослойной структурой. Для анализа особенностей структуры использовали электронную микроскопию и рентгено-фазовый анализ. Показано, что образцы имеют нанокристаллическую структуру, разделение слоев пермаллоя немагнитными прослойками влияет на особенности его тек-стуры и размер зерна. Точный состав пленок Fe19Ni81 был определен с помощью приставки энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа. Магнитные свойства были исследованы с помощью магнито-оптического эффекта Керра и вибрационной магнитометрии. Несмотря на присутствие специально прикладываемого во время напыления технологического магнитного поля, формируемая магнитная анизотро-пия имела сложный характер. Так, ось магнитной анизотропии поверхностного слоя у большинства образцов располагалась перпендикулярно длинной стороне прямоугольного элемента (соосно с ориентацией технологического поля), а ось эффективной магнитной анизотропии ориентировалась вдоль длиной стороны элемента. Исследование ГМИ в диапазоне частот 1 - 400 МГц позволило отобрать элементы для тестирования прототипа биодатчика для определения положения магнитной вставки в виде феррогеля/эпоксидной смолы с магнитными наночастицами. Показана возможность детектирования полей рассеяния магнитных частиц с помощью используемого элемента и проведены оценки погрешности ГМИ откликов прототипа биодатчика. Созданы и опробованы в ряде биологических экспериментов не имеющие коммерческих аналогов магнитные матрицы на основе постоянных магнитов. Исследовано распределение магнитного поля магнитных систем: катушек Гельмгольца, коммерческого электромагнита, 24 и 48 луночных магнитных матриц. / In this work, composition, structural and magnetic properties, giant magneto impedance (GMI) of thin film multilayered structures for sensors of weak magnetic fields were investigated. Multilayered films were fabricated by magnetron sputtering technique. They were investigated both in the standard thin film geometry and in the GMI-stripe geometry. Magnetoimpedance stripe geometry is a three-layered film that consists of magnetic layer - conductive non-magnetic layer - magnetic layer with an equal thickness of each one of three layers. Magnetic layers can be substituted by the multilayered structures. Structure of multilayered films was studied by electronic microscopy and XRD analysis. All samples have a nanocrystalline structure, separation of permalloy layers by non-magnetic spacers influences the permalloy structure and grain size. Composition of permalloy in films Fe19Ni81 was checked by energy-dispersive x-ray spectroscopy and x-ray fluorescence spectros-copy. Magnetic properties were investigated by magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometer. Despite the presence of a certain magnetic field applied during the sputtering deposition, the formed magnetic anisotropy was quite complex. The magnetic anisotropy axis of surface layers most of the samples was perpendicular to the long side of the GMI-stripe ele-ments. However, the effective magnetic anisotropy axis of the whole structure was along to the long side of elements. Investigation of GMI in the frequency range 1 - 400 MHz allowed to select the GMI-stripe elements for biosensor prototype testing for detection of the magnetic test-samples such as ferrogels or epoxy composites with magnetic micro- or nanoparticles. The possibility of detection of the stray fields of magnetic micro- and nanoparticles by selected GMI element was confirmed, and the experimental errors were carefully analyzed. Unique magnetic matrices based on permanent magnets were designed, fabricated and tested in biological experiments. Magnetic field distribution in space was measured for Helmholtz coils, commercial elec-tromagnet, 24 and 48 well magnetic matrices.

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von neuartigen hohlen MoSx-Nanomaterialien mit kontrollierbarer Größe und Form durch die kolloidale Template Methode. Ihre möglichen Anwendungen in wässrigen Energiespeichersystemen, einschließlich Superkondensatoren und Li-Ionen-Batterien (LIBs), wurden untersucht. Im ersten Teil wurde eine neue Nanostruktur aus hohlen Kohlenstoff-MoS2-Kohlenstoff-nanoplättchen erfolgreich durch eine L-Cystein unterstützte hydrothermale Methode unter Verwendung von Gibbsit als Templat und Polydopamin (PDA) als Kohlenstoffvorläufer synthetisiert. Nach dem Kalzinieren und Ätzen des Gibbsit Templates wurden gleichförmige Hohlplättchen erhalten, die aus einer sandwichartigen Anordnung von teilweise graphitischem Kohlenstoff und zweidimensional geschichteten MoS2 Flocken bestehen. Die Plättchen haben eine ausgezeichnete Dispergierbarkeit und Stabilität in Wasser sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit aufgrund des durch die Kalzinierung von Polydopaminbeschichtungen erzeugten Kohlenstoffs gezeigt. Das Material wird dann in einem symmetrischen Superkondensator mit 1 M Li2SO4 als Elektrolyt aufgebracht, der eine spezifische Kapazität von 248 F/g (0.12 F/cm2) bei einer konstanten Stromdichte von 0.1 A/g und eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität über 3000 Zyklen aufweist, was darauf hindeutet, dass hohle Kohlenstoff-MoS2-Kohlenstoffnanoplättchen vielversprechende Materialien als Kandidaten für Superkondensatoren sind. Im zweiten Teil wurde 21 molare LiTFSI, das sogenannte "Wasser-in-Salz" (WIS) Elektrolyt, in Superkondensatoren mit hohlen Kohlenstoffnanoplättchen als Elektrodenmaterial untersucht. Im Vergleich zu dem im ersten Teil verwendeten 1 molaren Li2SO4-Elektrolyten wurden bei dem vorliegenden WIS Elektrolyt signifikante Verbesserungen in einem breiteren und stabilen Potentialfenster festgestellt, das durch die geringere Leitfähigkeit mit dem Gegenstück leicht beeinflusst wird. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde ausgiebig eingesetzt, um einen Einblick in die Reaktionsmechanismen der WIS-Superkondensatoren zu erhalten. Zusätzlich wurde auch der Einfluss der Temperatur auf die elektrochemische Leistung im Temperaturbereich zwischen 15 und 55 °C untersucht, was eine hervorragende spezifische Kapazität von 128 F/g bei dem optimierten Zustand von 55 °C ergab. Die EIS-Messungen deckten die Abnahme der angepassten Widerstände mit der Temperaturerhöhung und umgekehrt auf und beleuchteten direkt die Beziehung zwischen elektrochemischer Leistung und Arbeitstemperatur von Superkondensatoren für zuverlässige praktische Anwendungen. Im dritten Teil wurde MoS3, ein amorphes, kettenförmig strukturiertes Übergangsmetall Trichalcogenid, als vielversprechende Anode in "Wasser-in-Salz" Li-Ionen-Batterien (WIS-LIBs) nachgewiesen. Die in diesem Teil verwendeten hohlen MoS3-Nanosphären wurden mittels einer skalierbaren Säurefällungsmethode bei Raumtemperatur synthetisiert, wobei sphärische Polyelektrolytbürsten (SPB) als Schablonen verwendet wurden. Beim Einsatz in WIS-LIBs mit LiMn2O4 als Kathodenmaterial erreicht das präparierte MoS3 eine hohe spezifische Kapazität von 127 mAh/g bei einer Stromdichte von 0.1 A/g und eine gute Stabilität über 1000 Zyklen sowohl in Knopf- als auch in Pouch-Zellen. Der Arbeitsmechanismus von MoS3 in WIS-LIBs wurde auch durch Ex-situ-Röntgenbeugungsmessungen (XRD) untersucht. Während des Betriebs wird MoS3 während der anfänglichen Li-Ionen-Aufnahme irreversibel in Li2MoO4 umgewandelt und dann allmählich in eine stabilere und reversible LixMoOy-Phase (2≤y≤4)) entlang der Zyklen umgewandelt. Amorphes Li-defizientes Lix-mMoOy/MoOz wird bei der Delithiierung gebildet. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen einfache Ansätze zur Synthese hohler MoSx-Nanomaterialien mit kontrollierbarer Morphologie unter Verwendung einer Template-basierten Methode, die auf die vielversprechende Leistung von MoSx für wässrige Energiespeicheranwendungen zurückzuführen sind. Die elektrochemischen Untersuchungen von hohlen MoSx-Nanomaterialien in wässrigen Elektrolyten geben Einblick in die Reaktionsmechanismen von wässrigen Energiespeichersystemen und treiben die Entwicklung von Metallsulfiden für wässrige Energiespeicheranwendungen voran. / The present thesis focuses on the synthesis of novel hollow MoSx nanomaterials with controllable size and shape through the colloidal template method. Their possible applications in aqueous energy storage systems, including supercapacitors and Li-ion batteries (LIBs), have been studied. In the first part, hollow carbon-MoS2-carbon nanoplates have been successfully synthesized through an L-cysteine-assisted hydrothermal method by using gibbsite as the template and polydopamine (PDA) as the carbon precursor. After calcination and etching of the gibbsite template, uniform hollow platelets, which are made of a sandwich-like assembly of partial graphitic carbon and two-dimensional layered MoS2 flakes, have been obtained. The platelets have shown excellent dispersibility and stability in water, and good electrical conductivity due to carbon coating generated by the calcination of polydopamine. The material is then applied in a symmetric supercapacitor using 1 M Li2SO4 as the electrolyte, which exhibits a specific capacitance of 248 F/g (0.12 F/cm2) at a constant current density of 0.1 A/g and an excellent electrochemical stability over 3000 cycles, suggesting that hollow carbon-MoS2-carbon nanoplates are promising candidate materials for supercapacitors. In the second part, 21 m LiTFSI, so-called “water-in-salt” (WIS) electrolyte, has been studied in supercapacitors with hollow carbon nanoplates as electrode materials. In comparison with 1 M Li2SO4 electrolyte used in the first part, significant improvements on a broader and stable potential window have been revealed in the present WISE, which is slightly influenced by the lower conductivity with the counterpart. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) has been extensively employed to provide an insight look on the formation of solid electrolyte interphase in the WIS-supercapacitors. Additionally, the effect of temperature on the electrochemical performance has also been investigated in the temperature range between 15 and 55 °C, yielding eminent specific capacitance of 128 F/g at the optimized condition of 55 °C. The EIS measurements disclosed the decrease of fitted resistances with the increase of temperature and vise versa, directly illuminating the relationship between electrochemical output and working temperature of supercapacitors for reliable practical applications. In the third part, MoS3, an amorphous chain-like structured transitional metal trichalcogenide, has been demonstrated as a promising anode in the “water-in-salt” Li-ion batteries (WIS-LIBs). Hollow MoS3 nanospheres used in this part have been synthesized via a scalable room-temperature acid precipitation method using spherical polyelectrolyte brushes (SPB) as the template. When applied in WIS-LIBs with LiMn2O4 as the cathode material, the prepared MoS3 achieves a high specific capacity of 127 mAh/g at the current density of 0.1 A/g and good stability over 1000 cycles in both coin cells and pouch cells. The working mechanism of MoS3 in WIS-LIBs has also been studied by ex-situ X-ray diffraction (XRD) measurements. During operation, MoS3 undergoes irreversible conversion to Li2MoO4 during the initial Li ion uptake, and is then gradually converted to a more stable and reversible LixMoOy (2≤y≤4)) phase along cycling. Amorphous Li-deficient Lix-mMoOy/MoOz is formed upon delithiation. The results in the present thesis demonstrate facile approaches for synthesizing hollow MoSx nanomaterials with controllable morphologies using a template-based method, which attribute to the promising performance of MoSx for aqueous energy storage applications. The electrochemical studies of hollow MoSx nanomaterials in aqueous electrolytes provide insight into the reaction mechanisms of aqueous energy storage systems and push forward the development of metal sulfides for aqueous energy storage applications.

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L'objet de cette thèse est l'étude de l'interaction d'un laser femtoseconde avec un support photosensible particulier: un verre phosphate dopé à l'argent appelé verre photo-luminescent (PL). Une nouvelle approche permettant de réaliser en trois dimensions dans un verre PL des nanostructures d'argent aux dimensions bien inférieures à la limite de diffraction est tout d'abord présentée. La mesure des propriétés optiques et structurales pour différentes échelles (spatiales et temporelles) a permis de proposer un mécanisme de formation des structures photo-induites qui est basé sur un jeu subtil entre les phénomènes d’absorption non-linéaire et de thermo-diffusion. La deuxième partie de cette thèse sera orientée sur les propriétés optiques (linéaires et non-linéaires) et les applications des ces nanostructures d’argent. En particulier, l’exaltation des propriétés non-linéaires des agrégats d’argent sera exploitée pour stocker optiquement de l’information en trois dimentions. / The aim of this work is the study of the interaction between a femtosecond laser and a special photosensitive medium: a silver containing phosphate glass, also called photo-luminescent (PL) glass. A new approach allowing to write, inside the PL glass, 3D silver nanostructures with feature size down to the diffraction limit is presented. Based on optical and structural measurments at different time and spacial scales, the mechanism of the formation of these nanostructures is described. A subtle interplay between nonlinear absorption and thermo-diffusion effects is found to be the key of the mechanism. The second part of this work relies on the optical properties (linear and nonlinear) and few applications of the silver nanostructures. More particulary, the enhancement of their nonlinear properties is used for three dimentional optical data storage.