Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2008

Regensburg, Univ., Diss., 2010.

Zugl.: Erlangen-Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2008.

Im quaternären System Erdalkalimetall-Silicium-Chlor-Wasserstoff bildet sich bei der Umsetzung des Metalls mit einer SiCl4-H2-Atmosphäre eine quaternäre Phase. Diese metastabile Phase zerfällt beim Abkühlen in das Metallchlorid und Silicium in nanokristalliner Form. Die vorliegende Arbeit hat sich mit der tiefergehenden Charakterisierung der quaternären Phase beschäftigt. Dazu wurden die Eigenschaften des quaternären Systems aus den Eigenschaften der sechs binären und vier ternären Systemen abgeleitet. Die Oberfläche wurde erstmals mit Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Zusätzlich gelang erstmalig die Verfolgung der Bildungsreaktion durch Messung des Spannungsabfalls über das Reaktionssystem. Erste Ansätze zur Aufklärung des Bildungsmechanismus ausgehend von den Ergebnissen der Charakterisierung wurden zusätzlich aufgezeigt.

Im Fokus dieser Dissertation stehen anorganisch-organische Hybridaggregate aus Kadmiumselenid-Nanokristallen und funktionalisierten Porphyrinmolekülen in Lösung. Mit Hilfe von statischen und zeitaufgelösten Methoden der optischen Spektroskopie wird nachgewiesen, daß die Bildung der Aggregate durch spontane Adsorption der funktionalisierten Moleküle an der Nanokristalloberfläche erfolgt. Dabei ist von einem dynamischen Gleichgewicht zwischen den Porphyrinmolekülen und den ursprünglichen Nanokristall-Liganden (TOPO) auszugehen. In der Photophysik der Hybridaggregate lassen sich ein resonanter Energietransfer nach Förster, der vom Nanokristall zum Porphyrinmolekül gerichtet ist, sowie eine Elektronen-Austauschwechselwirkung zwischen beiden Komponenten nach Dexter nachweisen. Mit Hilfe einer Erweiterung des Stern-Volmer-Ansatzes zur Beschreibung der Fluoreszenzlöschung für bimolekulare Reaktionen können die jeweiligen Anteile für eine Serie von Nanokristallen unterschiedlicher Größe und zweierlei Beschaffenheit grob quantifiziert werden. Ferner wird der Einfluß diffundierender Ladungen auf die Quantenausbeute von Halbleiternanokristallen anhand von zeitkorrelierter Einzelphotonenerfassung untersucht. Mit Hilfe einer Detektionsmethode, die die Zeitreihe der Ankunftszeiten einzelner Photonen erhält (tt-TCSPC), ist es möglich, den in eine Polymermatrix eingebetteten Halbleiternanokristallen charakteristische Fluktuationen der Fluoreszenzlebensdauer mit individueller Zeitkonstante zuzuordnen. / This Thesis is devoted to the formation and the photophysics of inorganic/organic hybride nanoaggregates designed from CdSe semiconductor nanocrystals and pyridyl-functionalized porphyrin molecules in solution at ambient conditions. The formation of the aggregates is revealed to be based on a spontaneous adsorption of the functionalized porphyrin molecules on the nanocrystal surfaces, with a dynamic equilibrium sustained due to the competition with TOPO, ie. the original surface ligand. The evidence for the existence of the self-assembled aggregates is furnished by the proof of a directed Förster resonant energy transfer from the nanocrystal to the porphyrin molecules at low compound concentrations. By means of steady-state and time-resolved optical spectroscopy, the resonant energy transfer (RET) is valued to be accompanied by at least one more secondary quenching mechanism. Motivated by the aptitude of the nanocrystals to host more than one molecule at once, the detection and quantification of this process is done by an extension of the conventional Stern-Volmer kinetics valid for bimolecular reactions. With that, the secondary interaction process aside from RET is explained in terms of a Dexter-type energy transfer that, on ist part, can be put down to a generation of charge-induced shallow trap states within the semiconductor nanocrystal. This model is in qualitative accordance with the known phenomena of fluorescence intermittency and spectral diffusion. The role of a fluctuating environment to affect the fluorescence quantum yield of the nanocrystals is confirmed by time-tagged time-correlated single-photon counting (tt-TCSPC) on single nanocrystals in a polymer matrix. The measurements show that the fluorescence lifetime of the nanocrystals is characterized by individual characteristic fluctuations possibly induced by temporal and spatial inhomogeneities in the distribution of the dielectric constants.

Im quaternären System Erdalkalimetall-Silicium-Chlor-Wasserstoff bildet sich bei der Umsetzung des Metalls mit einer SiCl4-H2-Atmosphäre eine quaternäre Phase. Diese metastabile Phase zerfällt beim Abkühlen in das Metallchlorid und Silicium in nanokristalliner Form. Die vorliegende Arbeit hat sich mit der tiefergehenden Charakterisierung der quaternären Phase beschäftigt. Dazu wurden die Eigenschaften des quaternären Systems aus den Eigenschaften der sechs binären und vier ternären Systemen abgeleitet. Die Oberfläche wurde erstmals mit Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Zusätzlich gelang erstmalig die Verfolgung der Bildungsreaktion durch Messung des Spannungsabfalls über das Reaktionssystem. Erste Ansätze zur Aufklärung des Bildungsmechanismus ausgehend von den Ergebnissen der Charakterisierung wurden zusätzlich aufgezeigt.

The present work investigates the synthesis and nanocrystal deposition of some selected solid solutions of transition metal trihalides with 2-dimensional crystal structure - specifically, the solutions of CrCl3 – CrBr3, CrBr3 – CrI3, RhCl3 – RhBr3, RhBr3 – RhI3, CrCl3 – RuCl3, and CrCl3 – MoCl3. Theoretical simulations of phase equilibria and partial pressures were applied to estimate suitable synthesis conditions for phase-pure solid solutions, before the syntheses were subsequently performed practically. It was found that for most of the systems investigated, special conditions, such as an appropriate excess of halogen or a specific temperature range, are crucial for successful synthesis. The purity of the corresponding products was confirmed by X-ray powder diffraction. These measurements were further used to investigate the course of the lattice parameters within the series of mixtures in order to be able to observe potential deviations from ideal mixing behavior of the parent compounds. These investigations revealed only small or no deviation from Vegard’s law for all investigated systems except CrCl3 – MoCl3. For CrCl3 – CrBr3, CrBr3 – CrI3, RhCl3 – RhBr3, RhBr3 – RhI3 and CrCl3 – RuCl3, the prepared powder material with different compositions was further used for the deposition of high-quality nanocrystals on a substrate. For this purpose, chemical vapor transport was applied. Suitable deposition conditions were also previously estimated by simulations before finally performing an experimental optimization of the transport conditions. The 2D nanocrystals thus obtained generally exhibit heights in the low 2-digit nm range, while monolayers were also observed in the case of RhCl3 – RhBr3. The compositions of the deposited structures were analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy to detect possible enrichment effects of the solid solutions during vapor transport. With the knowledge of these relationships, nanocrystals with controllable composition can be deposited by the developed method. The high quality of the deposited nanocrystals was ensured by transmission electron microscopy, selected area electron diffraction, and X-ray photoemission spectroscopy. Depending on the system, selected material properties were determined using powder samples, bulk or nanocrystals, such as the photoluminescence behavior of the CrCl3 – CrBr3 and CrBr3 – CrI3 series or the optical band gap characteristics of the RhCl3 – RhBr3 and RhBr3 – RhI3 systems. Unlike for the previously mentioned systems, in the case of CrCl3 – MoCl3, strong deviations from an ideal linear course of the lattice parameters were observed, where several phase regions can be distinguished within the series. To explain these anomalies, structural models were developed that explain the anomalies with the formation of differently arranged Mo-Mo dimers within the crystal structure. These hypotheses were investigated by different characterization methods such as IR spectroscopy or SQUID measurements and confirmed the hypotheses within the limits of the validity of the applied methods. The simulative and experimental methods developed in this work can be applied to numerous similar systems of transition metal trihalides, but should also work for other classes of compounds. The nanocrystals thus made available are suitable for follow-up studies with respect to property changes upon downscaling.:1. Introduction 1 2. Theoretical Background 3 2.1. Properties of Selected Transition Metal Trihalides and Their Solid Solutions . . . 3 2.1.1. Crystal Structures of 2D Transition Metal Trihalides . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2. CrX3 (X = Cl, Br, I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.3. RhX3 (X = Cl, Br, I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.4. RuCl3 and CrCl3-RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.5. MoCl3 and CrCl3-MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Solid Solution Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1. Structural Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2. Chemical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.3. Thermodynamic Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Chemical Vapor Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. Bulk and Nanocrystal Growth by CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.2. CVT of Solid Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.3. Simulation of CVT Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Vapor Phase Chemistry of Selected Transition Metal Trihalides . . . . . . . . . . . 15 2.4.1. CrCl3, CrBr3 and CrI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.2. RhCl3, RhBr3 and RhI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4.3. RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.4. MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3. Material and Methods 19 3.1. Chemicals and Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2. Synthesis, Purification and CVT of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.1. General Aspects of Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.2. CrX3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.3. CrCl3-CrBr3 and CrBr3-CrI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.4. RhX3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 X Table of Contents 3.2.5. RhCl3-RhBr3 and RhBr3-RhI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.6. Purification of commercial RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.7. CrCl3-RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.8. MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.9. CrCl3-MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.10. Delamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3. Thermodynamic Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.1. Estimation of Unknown Thermodynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.2. Simulations with Tragmin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4. Instrumental Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.1. Optical Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.2. Powder X-ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.3. Single-Crystal X-ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4.4. Scanning Electron Microscopy and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy 27 3.4.5. Transmission Electron Microscopy and Selected Area Electron Diffraction 28 3.4.6. Atomic Force Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.7. Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.8. Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.9. Diffuse Reflection Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.10. Photoluminescence Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4.11. X-ray Photoelectron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4.12. Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy . . . . . . . . 30 3.4.13. Simultaneous Thermal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4.14. Electron Energy-Loss Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4.15. Superconducting Quantum Interference Device Measurements . . . . . . 31 4. Results and Discussion 32 4.1. CrCl3 – CrBr3 and CrBr3 – CrI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2. Solid Solution Synthesis and Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.3. Structural Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.4. Nanocrystal Growth, Enrichment Effects and Delamination . . . . . . . . . 45 4.1.5. Further Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2. RhCl3-RhBr3 and RhBr3-RhI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.2. Solid Solution Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.3. Thermochemical Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.4. Structural Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.5. Crystal Growth and Delamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.6. Further Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3. CrCl3-RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.3.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.3.2. Solid Solution Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 XI Table of Contents 4.3.3. Structural Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.3.4. Nanocrystal Growth, Enrichment Effects and Delamination . . . . . . . . . 78 4.3.5. Further Characterization of As-Grown Nanocrystals . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. CrCl3-MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.4.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.4.2. Solid Solution Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4.3. Structural Investigation by pXRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.4. Further Structural Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.5. Magnetic Investigations of Powder Samples by SQUID . . . . . . . . . . . . 98 4.4.6. Summary of Characterization Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.4.7. CVT Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5. Summary and Outlook 104 References 107 List of Figures 120 List of Tables 121 Abbreviations 122 Used Symbols 124 A. Appendix 126 A.1. Atom Positions and Space Group Transformations of 2D TMTH . . . . . . . . . . 126 A.2. Raw pXRD Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 A.3. Refined Lattice Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A.4. Additional Data of Characterizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 A.5. EDX-Mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 A.6. Thermodynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Nanokristallabscheidung von einigen ausgewählten Festkörperlösungen von Übergangsmetalltriahlogeniden mit 2-dimensionaler Kristallstruktur - konkret die Lösungen von CrCl3 – CrBr3, CrBr3 – CrI3, RhCl3 – RhBr3, RhBr3 – RhI3, CrCl3 – RuCl3 und CrCl3 – MoCl3. Dabei wurden theoretische Simulationen der Phasengleichgewichte und Partialdrücke angewandt um geeignete Synthesebedingungen für phasenreine Festkörperlösungen abzuschätzen und diese Synthesen im Anschluss entsprechend zu realisieren. Dabei zeigte sich, dass für die meisten der untersuchten Mischphasen spezielle Bedingungen, wie z.B. ein entsprechender Halogenüberschuss oder ein enges Temperaturfenster entscheidend für die erfolgreiche Synthese sind. Die Phasenreinheit der entsprechenden Produkte wurde mittels Röntgenpulverdiffraktometrie bestätigt. Diese Messungen wurden weiterhin zur Untersuchung des Verlaufs der Gitterparameter innerhalb der Mischungsreihen verwendet um potenzielle Abweichungen von idealem Mischungsverhalten der Randverbindungen beobachten zu können. Dabei zeigte sich für alle Mischungen außer CrCl3 – MoCl3 nur geringe oder keine Abweichungen von der Vegard’schen Regel. Für CrCl3 – CrBr3, CrBr3 – CrI3, RhCl3 – RhBr3, RhBr3 – RhI3 und CrCl3 – RuCl3 wurde das hergestellte Pulvermaterial mit verschiedenen Zusammensetzungen für die Abscheidung von hochqualitativen Nanokristallen auf einem Substrat verwendet. Dafür wurde die Methode des chemischen Gasphasentransports angewandt, wobei ebenfalls geeignete Abscheidungsbedingungen zuvor mittels Simulationen ermittelt wurden, bevor schlussendlich eine experimentelle Optimierung der Transportbedingungen durchgeführt wurde. Die damit erhaltenen 2D Nanokristalle weisen in der Regel Höhen im niedrigen 2-stelligen nm-Bereich auf, wobei im Fall von RhCl3 – RhBr3 auch direkt abgeschiedene Monolagen beobachtet wurden. Die Zusammensetzungen der abgeschiedenen Strukturen wurden intensiv mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie analysiert um mögliche Anreicherungseffekte der Festkörperlösungen während des Gasphasentransports zu detektieren. Dabei zeigte sich, dass eine Anreicherung insbesondere im Fall der kationischen Festkörperlösungen auftritt, während bei anionischen Lösungen ein kongruenter Transport vorherrscht. Mithilfe der Kenntnisse dieses Zusammenhangs lassen sich Nanokristalle mit kontrollierbarer Zusammensetzung über die entwickelte Methode abscheiden. Die hohe Qualität der abgeschiedenen Nanostrukturen wurde mittels Transmissionselektronmikroskopie, Feinbereichselektronenbeugung und Röntgenphotoelektronenspektroskopie sichergestellt. Je nach System wurden weitere ausgewählte Materialeigenschaften anhand von Pulver-Proben, bulk- oder Nanokristallen ermittelt, wie beispielsweise das Photolumineszenzverhalten der CrCl3 – CrBr3 und CrBr3 – CrI3 Reihen oder den Verlauf der optischen Bandlücke der RhCl3 – RhBr3 und RhBr3 – RhI3 Systeme. Anders als für die zuvor beschriebenen Systeme wurden im Fall von CrCl3 – MoCl3 starke Abweichungen von idealem Verlauf der Gitterparameter beobachtet, wobei innerhalb der Mischungsreihe mehrere Phasengebiete unterschieden werden können. Zur Erklärung dieser Anomalien wurden verschiedene Strukturmodelle erdacht, welche die Bildung von unterschiedlich angeordneten Mo-Mo-Dimeren innerhalb der Kristallstruktur beschreiben. Diese Hypothesen wurden mittels verschiedener Charakterisierungsmethoden wie z.B. IR-Spektroskopie oder SQUID-Messungen untersucht und im Rahmen der Aussagekraft der Messmethoden bestätigt. Die in dieser Arbeit entwickelten simulativen und experimentellen Methoden lassen sich auf zahlreiche ähnliche Systeme von Übergangsmetalltrihalogeniden übertragen, sind aber auch auf andere Verbindungsklassen anwendbar. Die damit verfügbar gemachten Nanokristalle sind für Folgeuntersuchungen im Hinblick auf die Eigenschaftsveränderungen bei der Nanoskalierung geeignet.:1. Introduction 1 2. Theoretical Background 3 2.1. Properties of Selected Transition Metal Trihalides and Their Solid Solutions . . . 3 2.1.1. Crystal Structures of 2D Transition Metal Trihalides . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2. CrX3 (X = Cl, Br, I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.3. RhX3 (X = Cl, Br, I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.4. RuCl3 and CrCl3-RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.5. MoCl3 and CrCl3-MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Solid Solution Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1. Structural Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2. Chemical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.3. Thermodynamic Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Chemical Vapor Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. Bulk and Nanocrystal Growth by CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.2. CVT of Solid Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.3. Simulation of CVT Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Vapor Phase Chemistry of Selected Transition Metal Trihalides . . . . . . . . . . . 15 2.4.1. CrCl3, CrBr3 and CrI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.2. RhCl3, RhBr3 and RhI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4.3. RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.4. MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3. Material and Methods 19 3.1. Chemicals and Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2. Synthesis, Purification and CVT of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.1. General Aspects of Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.2. CrX3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.3. CrCl3-CrBr3 and CrBr3-CrI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.4. RhX3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 X Table of Contents 3.2.5. RhCl3-RhBr3 and RhBr3-RhI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.6. Purification of commercial RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.7. CrCl3-RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.8. MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.9. CrCl3-MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.10. Delamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3. Thermodynamic Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.1. Estimation of Unknown Thermodynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.2. Simulations with Tragmin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4. Instrumental Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.1. Optical Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.2. Powder X-ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.3. Single-Crystal X-ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4.4. Scanning Electron Microscopy and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy 27 3.4.5. Transmission Electron Microscopy and Selected Area Electron Diffraction 28 3.4.6. Atomic Force Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.7. Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.8. Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.9. Diffuse Reflection Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.10. Photoluminescence Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4.11. X-ray Photoelectron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4.12. Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy . . . . . . . . 30 3.4.13. Simultaneous Thermal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4.14. Electron Energy-Loss Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4.15. Superconducting Quantum Interference Device Measurements . . . . . . 31 4. Results and Discussion 32 4.1. CrCl3 – CrBr3 and CrBr3 – CrI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2. Solid Solution Synthesis and Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.3. Structural Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.4. Nanocrystal Growth, Enrichment Effects and Delamination . . . . . . . . . 45 4.1.5. Further Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2. RhCl3-RhBr3 and RhBr3-RhI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.2. Solid Solution Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.3. Thermochemical Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.4. Structural Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.5. Crystal Growth and Delamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.6. Further Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3. CrCl3-RuCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.3.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.3.2. Solid Solution Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 XI Table of Contents 4.3.3. Structural Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.3.4. Nanocrystal Growth, Enrichment Effects and Delamination . . . . . . . . . 78 4.3.5. Further Characterization of As-Grown Nanocrystals . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. CrCl3-MoCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.4.1. Thermodynamic and CVT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.4.2. Solid Solution Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4.3. Structural Investigation by pXRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.4. Further Structural Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.5. Magnetic Investigations of Powder Samples by SQUID . . . . . . . . . . . . 98 4.4.6. Summary of Characterization Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.4.7. CVT Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5. Summary and Outlook 104 References 107 List of Figures 120 List of Tables 121 Abbreviations 122 Used Symbols 124 A. Appendix 126 A.1. Atom Positions and Space Group Transformations of 2D TMTH . . . . . . . . . . 126 A.2. Raw pXRD Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 A.3. Refined Lattice Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A.4. Additional Data of Characterizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 A.5. EDX-Mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 A.6. Thermodynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Durch die Funktionalisierung von Silica- und Gold-Nanopartikeln mit einem neu entwickelten photoschaltbaren Polymer wurden gezielt selbst¬organisierte Architekturen aus Polymer-Nanokompositen aufgebaut. Silica-Oberflächen wurden mit Transferagenzien für eine oberflächeninitiierte reversible Additions–Fragmentierungs-Ketten-transferpolymerisation (engl. reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT-) Polymerisation) modifiziert und systematisch untersucht. Dazu wurden Mono-, Di- und Trialkoxysilylether als Ankergruppen in die chemische Struktur der RAFT-Agenzien integriert. Die Analyse von funktionalisierten planaren Substraten durch Rasterkraftmikroskopie hat gezeigt, dass di- und trifunktionelle Ankergruppen als vernetzte Aggregate auf der Oberfläche gebunden werden, wenn die Immobilisierung in Toluol durchgeführt wird. Als Ursache dafür wurde durch dynamische Lichtstreuung (DLS) eine, im Vergleich zur Reaktion mit der Oberfläche, beschleunigte Aggregation der Ankergruppen identifiziert. Die Vernetzung konnte durch die Verwendung von 1,2-Dimethoxyethan als Lösungsmittel unterbunden werden, wodurch besser definierte Oberflächenstrukturen erhalten wurden. Diese wurden ebenfalls durch Monoalkoxysilylether erreicht, die unabhängig vom Lösungsmittel keine Möglichkeit zur Vernetzung bieten. Die Charakterisierung funktionalisierter sphärischer Silica-Nanopartikel mittels Transmissionselektronen¬mikroskopie (TEM) bestätigten diese Ergebnisse. Dadurch wurde gezeigt, dass vernetzte Ankergruppen zu der Aggregation von Silica-Nanopartikeln führen. An den funktionalisierten Partikeln wurden RAFT-Polymerisationen durchgeführt, deren Produkte durch Gel-permeations¬chromatographie und Thermogravimetrie analysiert wurden. Dabei wurde gezeigt, dass die Beladungsdichte des Polymers nicht ausschließlich mit der Konzentration der RAFT-Agenzien auf der Oberfläche steigt, sondern vor allem mit deren Erreichbarkeit für Makroradikale. Zudem wurde festgestellt, dass der Anteil niedermolekularer Nebenprodukte unabhängig vom Aggregationgrad der verwendeten Ankergruppen ist. Nach diesen Prinzipien maßgeschneiderte Silica- und Gold-Nanopartikel wurden in einer Blockcopolymermatrix dispergiert und mittels TEM analysiert. Durch Mikrophasenseparation der Matrix konnten erstmals RAFT-Polymer-funktionalisierte Nanopartikel gezielt und selektiv in eine Phase integriert werden. Zusätzlich wurde beobachtet, dass selektiv Silica-Partikel mit kleinen Durchmessern aus der eingesetzten Größenverteilung eingebaut wurden. Neben dem Design von Nanopartikeln wurde ein photoschaltbares Polymer (PAzoPMA) für die Anwendung in Polymer-Nanokompositen entwickelt. Durch die reversible Licht-induzierte transcis-Isomer¬isierung der schaltbaren Azobenzol-Einheiten des Polymers, nimmt sowohl die molekulare Größe ab als auch das Dipolmoment deutlich zu. Diese Änderungen konnten durch Wasser-Kontaktwinkel-Analysen, DLS und Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie charakterisiert werden. Durch die Funktionalisierung von Silica- bzw. Gold-Partikeln mit diesem Polymer wurden photoschaltbare Nanokomposite synthetisiert, indem PAzoPMA über RAFT-Agenzien an die Oberfläche gebunden wurde. Die Bestrahlung einer Dispersion dieser Hybridpartikel mit ultraviolettem Licht induzierte die transcis-Isomerisierung, die eine Selbstorganisation der Primärpartikel zur Folge hatte. Insbesondere funktionalisierte Gold-Nanopartikel aggregierten zu definierten, sphärischen Überstrukturen, was durch DLS und optische Absorptions-spektroskopie belegt wurde. Durch letztere konnte außerdem gezeigt werden, dass der geschaltete Zustand länger stabil ist als bei bisher literaturbekannten Systemen mit Kleinmolekülen als Photoschalter. Eine weitere Stärke des entwickelten Systems wird mittels TEM-Analyse verdeutlicht. Die über die molare Masse des PAzoPMAs in der Partikelhülle einstellbaren Abstände der Primärpartikel, innerhalb dieser Überstrukturen, verdeutlichen das große Potential des Systems.

Nanokristalle werden beispielsweise für eine Anwendung in Solarzellen, Lichtemittern und nichtflüchtigen Datenspeichern diskutiert. Damit diese Anwendungen funktionieren können, ist eine genaue Kontrolle der Kristallitgröße sowie der Flächendichte und Lage der Kristallite in der Matrix wichtig. Zudem sollte die Matrix amorph sein, da amorphe Matrixmaterialien die Nanokristall-Oberfläche besser passivieren und beständiger gegen Leckströme sind. In dieser Arbeit werden Ge-Nanokristalle in die Hoch-Epsilon-Dielektrika ZrO2 und TaZrOx eingebettet. Im System Ge/ZrO2 kristallisieren die Ge-Cluster und die ZrO2-Matrix bei der gleichen Temperatur. Aufgrund der kristallinen Matrix weicht die Form der Ge-Nanokristalle von einer Kugel ab, worunter unter anderem die Größenkontrolle leidet. Die Beimischung von Ta2O5 stabilisiert die amorphe Phase des ZrO2 und verhindert dadurch die gemeinsame Kristallisation. Dadurch wird es im System Ge/TaZrOx möglich, kugelförmige Ge-Nanokristalle im Größenbereich von 3 nm bis 6 nm positionskontrolliert in eine amorphe Matrix einzubetten. Für die Untersuchung einer möglichen Anwendung des Materialsystems wurden Speicherzellen eines nichtflüchtigen Datenspeichers auf Basis von Ge-Nanokristallen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass das System Ge/TaZrOx überdurchschnittlich viele Ladungen speichert und daher für diese Anwendung vielversprechend ist. Zudem stabilisiert die Beimischung von Ta2O5 eine extrem seltene orthorhombische Modifikation des ZrO2. Für ferroelektrische Datenspeicher könnte diese Phase eine aussichtsreiche Alternative zum HfO2 sein.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.