Die Art der zwischen den 2D-Materialien und den festen Substraten eingeschlossenen Wasserschichten ist umstritten, sowie auch ihr Einfluss auf die Eigenschaften der 2D-Materialien. In-situ-Rasterkraftmikroskopie (SFM) wurde eingesetzt, um den Benetzungsprozess von Wasser an der Grenzfläche zwischen trockenem graphen- und molybdändisulfid (MoS2)- und Glimmer zu visualisieren. In-situ Raman- und Photolumineszenzmessungen (PL) wurden durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich die Ladungsdotierung von Graphen und die Dehnung von Graphen und MoS2 bei der Benetzung verändern. SFM-Ergebnisse zeigen, dass Wassermoleküle, die die trockene Grenzfläche benetzen, bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit eine homogene monomolekulare Schicht ausbilden. Aus Raman-Messungen kann man schließen, dass die Wasserschicht vorhandenen Ladungstransfer an der trockenen Grenzfläche blockiert, während eine Schicht aus Ethanolmolekülen dafür nicht ausreicht. Der Austausch von Ethanol gegen Wasser und umgekehrt ermöglicht eine reversible Umschaltung des Ladungstransfers an der Grenzfläche. Dehnungsänderungen von 2D-Materialien auf Glimmer mit eingeschlossenen Flüssigkeitsschichten wird in dieser Arbeit durch Dehnung eines Glimmersubstrats mit darauf exfoliertem 2D-Material untersucht. Die dadurch induzierte Dehnung in Graphen und MoS2 wird durch die Analyse der Veränderungen in den Raman- bzw. PL-Spektren ermittelt. Dabei kann eine Dehnungsrelaxation in Graphen beobachtet werden, die sich von einer „Stick-Slip-Bewegung“ bei trockener Grenzfläche zu viskosem Relaxationsverhalten verändert, wenn Wasser in die Grenzfläche interkaliert. Im Gegensatz dazu findet man in MoS2 unabhängig von der Hydratation keine viskose Relaxation. / The nature of the water layers confined between 2D materials and solid substrates is disputed, also their influences on properties of 2D materials are in debate. I employ In-situ scanning force microscopy (SFM) to visualize wetting of water at the dry graphene-/molybdenum disulfide (MoS2) - mica interface. In-situ Raman and photoluminescence (PL) measurements probe charge-doping and strain change of graphene and MoS2 upon wetting. SFM results show that water molecules wetting the dry interface form a monomolecular layer at high relative humidity (RH). Raman results imply that the water layer blocks charge transfer from mica to graphene, while an ethanol monolayer allows for it. Strain changes of both 2D materials on mica with confined liquid layers are investigated by stretching a mica substrate with the 2D material exfoliated on it. The strain induced in graphene and MoS2 is inferred by analyzing changes in Raman and PL spectra, respectively. Strain relaxation in graphene changes from stick-slip for dry interface to viscous when intercalated by water. In contrast, there is no viscous relaxation in MoS2 regardless of hydration.

This thesis describes the fabrication and characterization of two-dimensional transition dichalcogenides (2D TMDs) nanolayers for various applications in electronic and opto-electronic devices applications. In Chapter 1, crystal and optical structure of TMDs materials are introduced. Many TMDs materials reveal three structure polytypes (1T, 2H, and 3R). The important electronic properties are determined by the crystal structure of TMDs; thus, the information of crystal structure is explained. In addition, the detailed information of photon vibration and optical band gap structure from single-layer to bulk TMDs materials are introduced in this chapter. In Chapter 2, detailed information of physical properties and synthesis techniques for molybdenum disulfide (MoS2), tungsten disulfide (WS2), and molybdenum ditelluride (MoTe2) nanolayers are explained. The three representative crystal structures are trigonal prismatic (hexagonal, H), octahedral (tetragonal, T), and distorted structure (Tʹ). At room temperature, the stable structure of MoS2 and WS2 is semiconducting 2H phase, and MoTe2 can reveal both 2H (semiconducting phase) and 1Tʹ (semi-metallic phase) phases determined by the existence of strains. In addition, the pros and cons of the synthesis techniques for nanolayers are discussed. In Chapter 3, the topic of synthesized large-scale MoS2, WS2, and MoTe2 films is considered. For MoS2 and WS2 films, the layer thickness is modulated from single-layer to multi-layers. The few-layer MoTe2 film is synthesized with two different phases (2H or 1Tʹ). The all TMDs films are fabricated using two-step chemical vapor deposition (CVD) method. The analyses of atomic force microscopy (AFM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), photoluminescence (PL), and Raman spectroscopy confirm that the synthesis of high crystalline MoS2, WS2, and MoTe2 films are successful. The electronic properties of both MoS2 and WS2 exhibit a p-type conduction with relatively high field effect mobility and current on/off ratio. In Chapter 4, vertically-stacked few-layer MoS2/WS2 heterostructures on SiO2/Si and flexible polyethylene terephthalate (PET) substrates is presented. Detailed structural characterizations by Raman spectroscopy and high-resolution/scanning transmission electron microscopy (HRTEM/STEM) show the structural integrity of two distinct 2D TMD layers with atomically sharp van der Waals (vdW) heterointerfaces. Electrical transport measurements of the MoS2/WS2 heterostructure reveal diode-like behavior with current on/off ratio of ~ 104. In Chapter 5, optically uniform and scalable single-layer Mo1-xWxS2 alloys are synthesized by a two-step CVD method followed by a laser thinning. Post laser treatment is presented for etching of few-layer Mo1-xWxS2 alloys down to single-layer alloys. The optical band gap is controlled from 1.871 to 1.971 eV with the variation in the tungsten (W) content, x = 0 to 1. PL and Raman mapping analyses confirm that the laser-thinning of the Mo1-xWxS2 alloys is a self-limiting process caused via heat dissipation to SiO2/Si substrate, resulting in fabrication of spatially uniform single-layer Mo1-xWxS2 alloy films.

The environmental concerns over the use of fossil fuels, and their resource constraints, as well as energy security concerns, have spurred great interest in generating electric energy from renewable sources. Solar and wind energy are abundant and potentially readily available. However, the generation of sustainable energies is generally intermittent and these energies have geographical limits which are relative to current large-scale energy generation facilities. To smooth out the intermittency of renewable energy production, low-cost electrical energy storage (EES) devices are becoming highly necessary. Among these EES technologies, lithium ion batteries are one of the most promising EES devices in terms of the characteristics of high gravimetric, volumetric energy density and environmentally friendly compared to lead-acid batteries and Ni-Cd batteries. Other advantages of Li-ion batteries are the ability of being recharged hundreds of times and high stability. Moreover, the dramatically growing market share of hybrid electrical and electrical vehicles in automobiles has motivated the development of high energy and power density LIBs with high mass loading. However, there are still several remaining challenges in LIBs for their further application in grid-scale ESSs. One of the global issues to date is the high costs including the cost of raw materials such as lithium and cobalt, production, machining, and transportation, etc. In addition, the increasing energy demand thereby leads to the pressures on the resource supply chains and thus increasing the cost of LIBs. Therefore, it is urgent to find a complementary or alternative EES device in a short term to satisfy the growing energy demand. Under the background of fast development of LIBs technology as well as the establishment of Li chemistry fundamentals in the last 40 years, rechargeable battery systems utilizing Na element have been extensively studied to develop less expensive and more sustainable ESSs. The sodium resource is abundantly existed in the planet. According to the periodic table, sodium is the most possible alternative to lithium, because it has the similar chemical and physical properties towards to lithium. As a consequence, the established fundamentals in LIBs can be reasonably analogized to SIBs. Moreover, Sodium is readily available from various sources-foods that contain sodium naturally, foods containing salt and other sodium-containing ingredients. Therefore, The study of SIBs technology and sodium chemistry are gaining increasing interests and attentions both in the scientific researchers and battery industry. However, theoretically speaking, the energy density of SIBs is lower than that of LIBs by using same electrode materials because sodium is more than 3 times heavier than Li as well as the standard electrode potential of Na (-2.71 V) is higher than Li (-3.04 V). Therefore, SIBs are not thought as an ideal candidate to substitute LIBs in the fields of small or middle-size portable devices, but are more favorable in a large grid support where the operation cost is the primary choice. Negative electrode is important component in a single cell. Exploring negative electrode materials with high electrochemical performance in LIBs and SIBs is indeed required for fulfilling the spreading energy demand. Among various negative electrode materials, layered transition metal sulfides (MSs) are reckoned as a promising class with high theoretical specific capacity and power capability due to their intrinsically layered structure which is beneficial to the diffusion of Li+ and Na+ . However, layered transition metal sulfides are suffering from intrinsically poor electrical conductivity, volume changes, high irreversibility and sluggish kinetics during Li+ /Na+ storage process. To address these issues, numerous strategies are applied to explore high performance LIBs and SIBs negative electrode materials in this PHD thesis. / Die ökologischen Bedenken hinsichtlich der Nutzung fossiler Brennstoffe und deren Ressourcenbeschränkungen sowie Bedenken hinsichtlich der Energiesicherheit haben großes Interesse an der Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen geweckt. Sonnen- und Windenergie sind im Überfluss vorhanden und potenziell leicht verfügbar. Die Erzeugung nachhaltiger Energien ist jedoch in der Regel intermittierend, und diese Energien haben geographische Grenzen, die im Vergleich zu den derzeitigen großen Energieerzeugungsanlagen relativ begrenzt sind. Um die Unterbrechungen in der Produktion erneuerbarer Energien auszugleichen, werden kostengünstige elektrische Energiespeicher (EES) dringend notwendig. Unter diesen EES-Technologien sind Lithium-Ionen-Batterien eines der vielversprechendsten EES-Geräte hinsichtlich der Eigenschaften einer hohen gravimetrischen, volumetrischen Energiedichte und umweltfreundlich im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien und Ni-Cd-Batterien. Weitere Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien sind die Fähigkeit, hunderte Male wieder aufgeladen werden zu können, und die hohe Stabilität. Darüber hinaus hat der dramatisch wachsende Marktanteil von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in Automobilen die Entwicklung von LIBs mit hoher Energie- und Leistungsdichte und hoher Massenbelastung motiviert. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen in den LIBs, die für die weitere Anwendung in den ESSs im Rastermaßstab erforderlich sind. Eine der bisherigen globalen Fragen sind die Gesamtkosten einschließlich der Kosten für Rohstoffe wie Lithium und Kobalt, Produktion, Bearbeitung und Transport usw. Darüber hinaus führt die steigende Energienachfrage dadurch zu einem Druck auf die Ressourcenversorgungsketten und damit zu einer Verteuerung der LIBs. Daher ist es dringend erforderlich, kurzfristig eine ergänzende und alternative EES-Technologie zu finden, um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Vor dem Hintergrund der schnellen Entwicklung der LIBs-Technologie sowie der Etablierung der Grundlagen der Li-Chemie in den letzten 40 Jahren wurden wiederaufladbare Batteriesysteme, die das Na-Element verwenden, umfassend untersucht, um kostengünstigere und nachhaltigere ESSs zu entwickeln. Die Natriumressource ist auf der Erde im Überfluss vorhanden. Nach dem Periodensystem ist Natrium die möglichste Alternative, da es die ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Lithium hat. Folglich lassen sich die etablierten Grundlagen der LIBs in vernünftiger Weise mit denen der SIBs vergleichen. Darüber hinaus ist Natrium aus verschiedenen Quellen leicht erhältlich - aus Lebensmitteln, die von Natur aus Natrium enthalten, aus Lebensmitteln, die Salz und andere natriumhaltige Zutaten enthalten. Daher gewinnt das Studium der SIBs-Technologie und Natriumchemie sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Batterieindustrie zunehmend an Interesse und Aufmerksamkeit. Theoretisch gesehen ist jedoch die Energiedichte von SIBs bei Verwendung der gleichen Elektrodenmaterialien niedriger als die von LIBs, da Natrium mehr als dreimal schwerer als Li ist und das Standardelektrodenpotential von Na (-2,71 V) höher als Li (-3,04 V) ist. Daher werden SIBs nicht als idealer Kandidat für den Ersatz von LIBs im Bereich kleiner oder mittelgroßer tragbarer Geräte angesehen, sondern sie sind günstiger bei einer großen Netzunterstützung, bei der die Betriebskosten die primäre Wahl sind. Die negative Elektrode ist ein notwendiger und wichtiger Teil in einer einzelnen Zelle. In der Tat ist es zur Erfüllung des sich ausbreitenden Energiebedarfs erforderlich, negative Elektroden-Materialien mit hoher elektrochemischer Leistung in LIBs und SIBs zu untersuchen. Unter den verschiedenen Materialien für negative Elektroden gelten geschichtete Übergangsmetallsulfide (MS) als eine vielversprechende Klasse mit hoher theoretischer spezifischer Kapazität und Leistungskapazität aufgrund ihrer intrinsisch geschichteten Struktur, die der Diffusion von Li+ und Na+ förderlich ist. Allerdings leiden schichtförmige Übergangsmetallsulfide unter inhärent schlechter elektrischer Leitfähigkeit, Volumenänderungen, hoher Irreversibilität und träger Kinetik während des Li+ /Na+ -Speicherprozesses. Um diese Probleme anzugehen, werden in dieser Doktorarbeit zahlreiche Strategien zur Untersuchung von Hochleistungs-LIBs und SIBs für negative Elektrodenmaterialien angewandt.

This thesis aims to investigate the coefficient of friction between steel on steel contacts with the addition of solid lubricants such as h-BN, WS2, MoS2 in powder form, in dry conditions and wet conditions. More specifically, the purpose is to enhance the sliding between the piston rings and cylinder block in a modern high temperature steam engine developed by RANOTOR. The friction test was carried out as a linear sliding test with determined loads and sliding speed. Hertzian contact theory was deployed to calculate contact pressure and shear stresses to make sure the contact was elastic, alternatively plastic. It was found that WS2 and  MoS2 lowered the coefficient of friction quite heavily in dry conditions, acting as a thin protective-lubricating film. h-BN performed rather poorly, increasing the coefficient of friction. In a water slurry, none of the powders managed to decrease the COF due to the particles not interacting with the surfaces.The solid lubricants tested should be further tested as coatings since they acted like it in dry conditions. / Denna rapport syftar till att undersöka friktionskoefficienten i stålkontakter med tillsats av fasta smörjmedel som  h-BN, WS2, MoS2 i pulverform, under torra och våta förhållanden. Mer specifikt är syftet att förbättra glidningen mellan kolvringarna och insidan av cylindern i en modern högtemperatur-ångmotor utvecklad av RANOTOR. Friktionstestet genomfördes som ett linjärt glidtest med bestämda belastningar och glidhastighet. Hertzian-kontaktteorin användes för att beräkna kontakttryck och skjuvspänningar för att säkerställa att kontakten var elastisk alternativt plastisk. Det visade sig att WS2och MoS2 kraftigt sänkte friktionskoefficienten under torra förhållanden genom att agera som en tunn skyddande-smörjfilm. h-BN presterade dåligt och ökade friktionskoefficienten. I vattenblandning lyckades inget av pulverna minska friktionskoefficienten eftersom partiklarna inte interagerade med ytorna. De testade fasta smörjmedlen bör vidare testas som beläggningar eftersom de fungerade som dessa under torra förhållanden.

La construction d’un NSOM, dans ce manuscrit de thèse, est décrite en détail. Lacombinaison du système NSOM construit avec un interféromètre est proposée afin d’accéderà des mesures de phase, à la fois de ultra-haute sensibilité mais également de très granderésolution spatiale. Le nom de l’instrument développé est un interferomètre optique àbalayage en champ proche (NSOI, pour l’acronyme en anglais). Le principe est basé surl’utilisation d’un diapason accordable en cristal de quartz, sur lequel se trouve une pointe,afin de sonder le matériau étudié. La mesure de la force de cisaillement de la pointe sondeau voisinage de la surface permet d’assurer la régulation et la stabilité de la distance depositionnement de la pointe par rapport à la surface considérée. Le dispositif est construit encombinant différents éléments électroniques pilotés par un logiciel développé en langageLab-VIEW. Le bruit de la mesure en NSOI est supprimé par un calcul simple basé sur lathéorie de l’optique ondulatoire et des interférences associées. Le système permet deréaliser des mesures optiques en champ proche ainsi que la détermination en hauterésolution de la phase du champ optique. L’échantillon SNG01 (l’un des réseaux utilisés pourcaractériser notre microscope à balayage en champ proche), ainsi que des disques optiques(CD, DVD and disques blu-ray) ont été utilisés pour tester la faisabilité et les performancesde notre système.Dans ce manuscrit de thèse, le graphène et les monocouches de MoS2 sont étudiés. Nous montrons qu’une épaisseur à l’échelle atomique peut être résolue par notresystème NSOI, avec l’utilisation de l’algorithme de suppression du bruit de mesure. Lesjoints de grain du graphène sont observés à grande échelle, via la technique d’imagerie parcollection en champ proche et par la réalisation de cartographies de phase. En particulier,les tensions internes à une couche de graphène sont observées, uniquement dans le casd’une imagerie de phase. / In this thesis, near-field scanning optical interferometry (NSOI), which combinesNSOM with interferometer, is proposed for the phase measurement. The shear-forcedetection scheme is applied for distance regulation. The hardware of the systemis constructed by combining various electronic devices, and the operating softwareis coded by LabVIEW. Unwanted background signal is removed by simple calculationbased on interference theory. By using this, the near-field optical measurementand the ultra-sensitive phase investigation of nano-materials are performed. 2D materialssuch as graphene and monolayer MoS2 are investigated. It is shown thatatomic-scale thickness can be resolved by the NSOI. Especially, the grain boundariesof graphene and the seed of MoS2 can be found by phase detection. In addition,direct laser writing (DLW) on silver-containing glass is observed by using NSOM,and NSOI. For the first time, the writing threshold is correlatively observed in thefluorescence imaging and the near-field phase image.