M.Tech. (Department of Chemistry, Faculty of Applied and Computer Sciences), Vaal University of Technology / This study reports the synthesis and characterization of cobalt oxide nanoparticles using a microwave technique and chemical precipitation with oxidation method. Cobalt complexes were prepared using carboxylic acids (acetic acid, heptanoic acid, and stearic acid) as ligands. The complexes were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA) and Elemental analyses (EA). Cobalt oxide nanoparticles were synthesized from the complexes via a microwave-assisted technique. A precipitation oxidation preparation reaction was used varying different parameters like pH, time, oxidising agent, heating method and cobalt precursor. The use of the cobalt nitrate and cobalt acetate as cobalt precursors resulted in spherical and cubic nanoparticles respectively. Cobalt precursors containing a longer hydrocarbon chain length, for instance cobalt heptanoate, did not yield cobalt oxide nanoparticles with the precipitation oxidation reaction due non- solubility of the complex. Using cobalt acetate as precursor, an increase in the pH from 7.91 to 10.18 caused the cobalt oxide nanoparticles shape to become well defined cubes with a narrower size range and CoOOH needles formed when the pH was further increased to 12.26. The optimum pH of 10.18 yielded cubic cobalt oxide particles having an average size of 25.45 nm with a standard deviation of 6.12. The nanoparticle size decreased from 35.70 nm to 4.45 nm when the oxygen oxidant was replaced with hydrogen peroxide. Conventional heating with a hotplate yielded nanoparticles with a more homogenous shape and size than microwave heating. The size of the nanoparticles increased from 22.81 nm to 25.45 nm when reaction time changed from 16 hours to72 hours.

A novel combination of a full-field X-ray detector and particle-induced X-ray emission (PIXE) as an established analytical method has been assembled and examined at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). The so-called Colour X-ray Camera (CXC) based on a pn-junction charge-coupled device (pnCCD) is interconnected with a poly-capillary optics (PCO) for the purpose of X-ray imaging. This first combination of PIXE as a lowbackground excitation method and the approach of full-field imaging is likely to close the gap between fast and sensitive investigations of large sample surfaces. The assembly called full-field PIXE (FF-PIXE) is intended for laterally resolved and quantifiable surveys of large geological samples with respect to their trace elemental composition. The PCO comprising hundred thousands of capillaries with inner diameters of about 20 µm is employed in order to map the specimen’s characteristic X-ray response induced by 3 MeV protons provided by a 6 MV tandem-accelerator. The subsequent pnCCD-chip comprising 264×264 pixels is capable of individually detecting X-ray photons in the energy range from 1 to 20 keV on a 12×12 mm² large field of view. The camera’s native lateral resolution could be determined to be 76 µm in the medium energy range, which is basically restricted by the pixel dimensions (48×48 µm²). Extensive experimental tests investigating the concept of sample 'illumination', X-ray transmission through the PCO, and imaging properties of the CXC, yielded substantial insights allowing to judge the new concept of X-ray imaging. While the variability of excitation intensity was proven to be better than 10% and the homogeneous response of the detector was verified, energy-dependent imaging impairments arose from the PCO. In comparative measurements at imaging systems using photons and electrons for excitation, both the full field approach and PIXE as the method of choice could be confirmed to be capable of meeting the initial objectives. In addition, enhancement techniques have been successfully tested to overcome downsides arising from the PCO’s transmission characteristics. Apart from suppressing the hexagonal pattern and a radial unevenness caused by the PCO, the system’s lateral resolving power could be improved towards 63 µm when using the 1:1 optics. The investigations have revealed that, at present, the complex transmission nature of the PCO is a main obstacle in obtaining quantitative results. A number of parameters (e.g. frame readout speed) and dependencies (e.g. lateral resolution vs. elemental sensitivity) have nevertheless been identified and explored the understanding of which will help to move forward 'on the road to metrology'. / Die neuartige Kombination eines Vollfeld-Röntgendetektors und partikelinduzierter Röntgenemission (PIXE: 'Proton-Induced X-ray Emission') als etablierte Analysemethode wurde am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) aufgebaut und erforscht. Die sogenannte Röntgenfarbkamera (CXC: 'Colour X-ray Camera') basiert auf Ladungskopplung mit p-n-Übergängen (pnCCD: 'pn-junction Charge-Coupled Device') und ist zwecks Abbildung mit einer Polykapillaroptik (PCO: 'Poly-Capillary Optics') gekoppelt. Dieser erstmalige gemeinsame Einsatz von PIXE, als Analysemethode mit niedrigem Untergrund, und dem Ansatz der Vollfeldabbildung eignet sich, um die Lücke zwischen schneller und empfindlicher Analyse großer Probenoberflächen zu schließen. Die als full-field PIXE (FF-PIXE) bezeichnete Anlage ist für ortsaufgelöste und quantifizierbare Untersuchungen großer geologischer Proben konzipiert und soll insbesondere deren Spurenelementverteilung analysieren. Die charakteristische Röntgenstrahlung wird mit 3 MeV-Protonen, die von einem 6 MV-Tandembeschleuniger bereit gestellt werden, induziert. Die ortsaufgelöste Abbildung dieser induzierten Strahlung wird mittels hunderttausender Kapillaren (je ca. 20 µm Innendurchmesser) realisiert. Der nachgelagerte aus 264×264 Pixeln bestehende pnCCD-Chip ist in der Lage, Röntgenphotonen im Energiebereich von 1 bis 20 keV aus einem 12×12 mm² großen Sichtfeld einzeln zu erfassen. Im mittleren Energiebereich wurde für die Kamera eine native Ortsauflösung von 76 µm ermittelt, die im Wesentlichen durch die Pixeldimensionen (48×48 µm²) bestimmt ist. Umfangreiche experimentelle Tests, die das Konzept der Probenausleuchtung, der Röntgenübertragung durch die PCO und die Abbildungseigenschaften der CXC untersuchten, führten zu wesentlichen Erkenntnissen, die die Beurteilung des neuen Abbildungskonzepts für Röntgenfluoreszenz ermöglichen. Während die Variabilität der Anregungsintensität nachweislich besser als 10% ist und die homogene Empfindlichkeit des Detektors verifiziert wurde, ergaben sich energieabhängige Beeinträchtigungen der Bildübertragung durch die PCO. Vergleichsmessungen mit bildgebenden Systemen, die Photonen und Elektronen zur Anregung verwenden, konnten bestätigen, dass sowohl der Vollfeldansatz, als auch PIXE als Methode der Wahl zur Erreichung der ursprünglichen Ziele geeignet sind. Darüber hinaus wurden verschiedene Techniken zur Bildverbesserung erfolgreich getestet, die durch die PCO verursachte Abbildungsfehler korrigieren. Abgesehen von der Unterdrückung hexagonaler Muster und der Korrektur radialer Ungleichmäßigkeiten konnte das laterale Auflösungsvermögen des Systems bei Verwendung der 1:1-Optik auf 63 µm verbessert werden. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die komplexen Übertragungseigenschaften der PCO derzeit eine der größten Hürden sind, um quantitative Ergebnisse zu erzielen. Dennoch wurde eine Reihe von Parametern (z.B.Auslesegeschwindigkeit) und Abhängigkeiten (z.B. Ortsauflösung vs. Elementempfindlichkeit) identifiziert und untersucht, deren Verständis dazu beitragen wird, auf dem Weg zu quantitativen Ergebnissen, voran zu kommen.

Con objeto de garantizar la calidad de los alimentos tanto desde el punto de vista nutricional como toxicológico, existen diferentes normativas a nivel internacional para el control del contenido de metales y metaloides en alimentos. Este tipo de determinaciones se suele llevar a cabo mediante técnicas de Espectrometría Atómica por su sencillez y parámetros analíticos (p.ej. límite de detección, precisión, velocidad, etc.). No obstante, debido a la complejidad que presentan las matrices de los alimentos (i.e. grasas, proteínas, etc.) y a los bajos niveles de concentración de algunos elementos, se requiere de un tratamiento de extracción-preconcentración previo. Con este fin, se ha utilizado en la bibliografía la Microextracción Dispersiva Líquido-Líquido (DLLME). Sin embargo, el uso combinado de DLLME y técnicas de Espectrometría Atómica para la determinación de metales en alimentos sigue presentado limitaciones, como: (i) empleo de disolventes extractantes no adecuados según los principios de la Química Verde; (ii) escaso aprovechamiento del acoplamiento de DLLME y la Espectrometría de Emisión mediante Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-AES) por los efectos de matriz que producen los extractantes orgánicos en el plasma; (iii) falta de criterio para seleccionar las condiciones de trabajo óptimas en ICP-AES para trabajar con extractos de DLLME; y (iv) escasa aplicación de DLLME a muestras de alimentos complejas (p.ej. vino, chocolate, etc.). En la presente Tesis Doctoral se han desarrollado nuevos métodos de análisis elemental en alimentos mediante el uso combinado de la Microextracción Dispersiva Líquido-líquido (DLLME) y técnicas Espectroscópicas Atómicas. En primer lugar, se ha investigado la posibilidad de utilizar el líquido iónico hexafluorofosfato de 1-butil-3-metilimidazolio como medio de extracción en DLLME para la determinación de Cd y Pb en muestras de vino mediante Espectrometría de Absorción Atómica con Horno de Grafito. Los resultados demuestran que esta metodología se puede utilizar para controlar los metales anteriores en todo tipo de muestras de vino (tinto, rosado, blanco, espumoso y fortificado) según la normativa de la Organización Internacional de la Viña y el Viñedo. Por otro lado, se han investigado diferentes estrategias para analizar los extractos orgánicos (1-undecanol, líquidos iónicos, cloroformo) que se obtienen en DLLME mediante ICP-AES y así aprovechar la capacidad que ofrece esta técnica para determinar varios elementos de forma simultánea. Esta metodología se ha aplicado con éxito a la determinación de 6 elementos (Al, Cu, Fe, Mn, Ni y Zn) en aguas. Finalmente, se ha evaluado la posibilidad de utilizar de forma combinada DLLME e ICP-AES para la determinación simultanea de As, Cd y Pb en alimentos (arroz, chocolate y mejillones vino.) utilizando como extractante un disolvente supramolecular (THF/1-undecanol). Los resultados obtenidos demuestran que la metodología desarrollada permite el control de dichos elementos según el Reglamento 1881/2006 de la Comisión.

A new approach to the growth of MoSe2 thin films on epitaxial graphene on SiC(0001) by the use of modulated elemental reactants (MER) precursors has been reported. The synthesis applies a two-step process, where first an amorphous precursor is deposited on the substrate which self-assembles upon annealing. Films with a nominal thickness of about 1ML are successfully grown on epitaxial graphene monolayer as well as buffer layer samples. Characterization of the films is performed using XPS, LEED, AFM, and Raman spectroscopy. The films are nanocrystalline and show randomly rotated domains. This approach opens up an avenue to synthesize a number of new van-der-Waals systems on epitaxial graphene and other substrates.

Hoy en día, las técnicas espectrométricas basadas en plasma de acoplamiento inductivo están reemplazando progresivamente a otras técnicas anteriores para el análisis elemental de rutina. Esta categoría incluye la espectrometría de emisión óptica por plasma de acoplamiento inductivo (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry, ICP OES) y la espectrometría de masas por plasma de acoplamiento inductivo (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS). De hecho, el uso de estas técnicas es muy recomendable para la determinación de elementos a niveles traza y ultratraza en muestras de matriz compleja. A pesar de ser cada vez más interesantes en el análisis químico, ambas técnicas presentan todavía ciertas limitaciones cuando se aplican al análisis de este tipo de muestras. La determinación del analito en este caso es especialmente complicada cuando se encuentra a niveles de concentración traza o inferiores. En primer lugar, una importante limitación de las técnicas basadas en plasma (i.e., ICP OES e ICP-MS) radica en la baja eficiencia de transporte de los sistemas de introducción de muestras líquidas convencionales. Su función es transferir una parte representativa de la muestra al plasma. Para ello, estos sistemas incorporan un nebulizador que transforma la muestra líquida en un aerosol. Posteriormente, el aerosol es transportado hasta el plasma por medio de una corriente de gas. Sin embargo, el porcentaje del aerosol que finalmente llega al plasma es muy bajo. Por lo tanto, una forma de mejorar los parámetros analíticos de calidad es aumentar la eficiencia de transporte del analito al plasma. Por otro lado, un cambio en las propiedades físicas de la muestra modifica la distribución de tamaño de gota del aerosol de la muestra, provocando un cambio en la eficiencia de transporte. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se nebuliza una muestra con matriz orgánica. En segundo lugar, otra limitación significativa proviene de las interferencias causadas por las especies concomitantes en la matriz de la muestra. En la mayoría de los casos, la complejidad de la matriz de la muestra interfiere en el análisis y, por tanto, afecta a la calidad de los resultados obtenidos. Los efectos de la matriz pueden eliminarse, o al menos minimizarse, utilizando una metodología de calibración apropiada en el análisis. Sin embargo, las metodologías que se utilizan habitualmente para reducir los efectos de la matriz son lentas, tediosas y consumen un gran volumen de reactivos y de muestra. Una alternativa muy prometedora para eliminar, o al menos reducir, las mencionadas limitaciones de forma práctica y económica es la utilización de sistemas de nebulización múltiples, que permiten la introducción simultánea de varias corrientes líquidas. Estos sistemas no solo presentan una tecnología de nebulización altamente eficiente en términos de la generación del aerosol, sino que suponen un avance hacia la automatización dado que permiten realizar mezclas y/o reacciones químicas en línea. Como resultado de estas características, los sistemas de multinebulización son muy interesantes para múltiples aplicaciones, siendo la más extendida la generación de vapor químico. Esta metodología consiste en transformar el analito en fase gas para aumentar su transferencia al plasma. También es interesante para la reducción de los efectos de la matriz mediante metodologías de calibración en línea, que son más rápidas, simples y económicas que las metodologías convencionales. Una última limitación general del análisis de muestras de matriz compleja, independientemente de la técnica utilizada, es la escasez de materiales de referencia certificados que reproduzcan de forma aproximada las condiciones de la muestra que se va a analizar, de modo que resulten una referencia fiable. En resumen, el principal objetivo de esta tesis es mejorar la capacidad analítica de las técnicas basadas en plasma de acoplamiento inductivo (ICP OES e ICP-MS) y simplificar el proceso analítico en el análisis elemental de muestras con matriz compleja. Esto se consigue mediante el desarrollo y aplicación de metodologías analíticas basadas en el uso de sistemas de nebulización múltiple.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese phosphorhaltiger anorganischer Verbindungen in ionischen Flüssigkeiten (engl. ionic liquids, ILs) und legt einen Schwerpunkt auf die Untersuchung der grundlegenden mechanistischen Abläufe, insbesondere auf die Aktivierung von elementarem Phosphor in ILs. Durch die Kombination spektroskopischer und theoretischer Methoden wurde ausführlich das chemische Verhalten von Phosphorhalogeniden in halogenidhaltigen ILs analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass nach der Auflösung von rotem Phosphor mit Iod ein Gleichgewicht in der Lösung vorliegt, welches zu der Bildung von Tetrachlorophosphat führt. Insgesamt weist der beobachtete, dynamische Koordinationsprozess der Liganden Ähnlichkeiten zu einer strukturellen Diffusion bzw. Grotthuss-Diffusion auf. Diese Mischungen könnten somit potenziell als kostengünstige Elektrolyte verwendet werden. In weiteren Untersuchungen gelang es, aus Cu und rotem Phosphor in halogenidhaltigen ILs reproduzierbar und in hoher Reinheit Cu3−xP (x = 0,05) zu synthetisieren. Die Optimierung der Reaktion ermöglichte dabei Ausbeuten von über 99 %. Während der Reaktion kommt es zu einer IL-induzierten nukleophilen Aktivierung des roten Phosphors, wodurch hochreaktive P4-Moleküle gebildet werden. Durch die direkte Verwendung von P4 in ILs konnte nachfolgend erstmals kupferarmes Cu3−xP (0,1 < x < 0,7) gezielt synthetisiert werden, ohne das phosphorreiche Nebenprodukte gebildet wurden. Die elektrochemische Charakterisierung unterschiedlicher Cu3−xP-Phasen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeigte, dass sich das chemische Verhalten gegen Li mit der Zusammensetzung des Materials ändert. Da sich kupferarmes Cu3−xP durch eine höhere Kapazität und kupferreiches Material durch eine bessere Zykelnstabilität auszeichnet, erlauben die Ergebnisse dieser Arbeit die weitere Optimierungen dieses Materials für den Einsatz in Akkumulatoren.:1. Motivation und Einleitung 1 1.1. Klassische Flussmittel in der Materialsynthese 2 1.2. Ionische Flüssigkeiten 4 1.2.1. Struktur und Eigenschaften 4 1.2.2. Anwendung in der Synthese von anorganischen Materialien 6 1.3. Reaktionen mit elementarem Phosphor in ionischen Flüssigkeiten 8 1.3.1. Struktur und Eigenschaften der Phosphormodifikationen 8 1.3.2. Synthetische Verwendung in ionischer Flüssigkeit 10 1.4. Zielstellung der Arbeit 11 2. Allgemeiner experimenteller Teil 12 2.1. Schutzgasatmosphäre 12 2.2. Verwendeten Chemikalien 12 2.2.1. Anorganische Ausgangsverbindungen 12 2.2.2. Ionische Flüssigkeiten 13 2.2.3. Lösungsmittel 14 2.2.4. Präparationsvorschriften 14 2.3. Charakterisierungsmethoden 15 2.3.1. Röntgenpulverdiffraktometrie 15 2.3.2. Einkristall-Röntgenstrukturanalyse 15 2.3.3. Rasterelektronenmikroskopie 15 2.3.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie 16 2.3.5. Elementaranalyse 16 2.3.6. Kernspinresonanzspektroskopie 17 2.3.7. Raman-Spektroskopie 17 2.3.8. Röntgenabsorptionsspektroskopie 18 2.3.9. Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 18 2.3.10. Elektrische Transportmessungen 18 2.3.11. Elektrochemische Charakterisierung 19 2.3.12. Wärmekapazitätsmessungen 20 2.3.13. Quantenchemische Berechnungen 20 3. Untersuchungen zur Bildung von Phosphorhalogeniden aus rotem Phosphor 22 3.1. Einleitung 22 3.2. Experimenteller Teil 23 3.3. Reaktion von rotem Phosphor mit Iod in [BMIm]X (X = Cl, I) 24 3.4. Anionenaustausch von PX3 in [HMIm]X (X = Cl, Br, I) 25 3.4.1. Reaktion von rotem Phosphor mit Iod in [HMIm]X (X = Cl, Br, I) 25 3.4.2. Phosphortrihalogenid-Referenzsystem 26 3.5. Das molekulare Verhalten von PCl3 in [HMIm]Cl 30 3.6. Quantenchemische Rechnungen 33 3.6.1. Molekulardynamische Simulationen 33 3.6.2. Statische DFT-Rechnungen 38 3.6.3. Mechanismus des Halogenaustausches 40 3.7. Zusammenfassung 41 4. Die Synthese von Cu3−xP – ein Modellsystem zur Reaktionsanalyse 43 4.1. Einleitung 43 4.2. Darstellungsmethoden – eine Literaturübersicht 45 4.3. Synthese von Cu3−xP (x = 0,05) in ionischen Flüssigkeiten 47 4.3.1. Synthesevorschrift 47 4.3.2. Produktcharakterisierung 47 4.3.3. Die Stabilität der ionischen Flüssigkeiten unter Synthesebedingungen 49 4.3.4. Analyse des Cu3−xP-Homogenitätsbereiches 50 4.4. Synthese von Cu3−xP (0,1 < x < 0,7) in ionischen Flüssigkeiten 52 4.4.1. Synthesevorschrift 52 4.4.2. Produktcharakterisierung 53 4.4.3. Analyse des Cu3−xP-Homogenitätsbereiches 55 4.5. Mechanistische Untersuchungen zur Cu3−xP-Bildung in [P66614]Cl 57 4.5.1. Experimenteller Teil 57 4.5.2. Diffusionsexperimente mit rotem Phosphor 58 4.5.3. Aktivierung von rotem Phosphor in [P66614]Cl 59 4.5.4. Mechanistische Diskussion der Cu3−xP-Phasenbildung 61 4.6. Untersuchungen zur Optimierung der Phosphoraktivierung 63 4.6.1. Donor- und Akzeptoreigenschaften ionischer Flüssigkeiten 64 4.6.2. Experimenteller Teil 66 4.6.3. Ergebnisse und Diskussion 66 4.7. Anioneneinfluss auf die Cu3−xP-Phasenbildung 69 4.7.1. Experimenteller Teil 69 4.7.2. Ergebnisse und Diskussion 70 4.8. Temperaturabhängige Kristallstrukturanalyse von Cu3−xP 72 4.8.1. Kristallzüchtung 72 4.8.2. Ergebnisse und Diskussion 73 4.9. Physikalische Charakterisierung unterschiedlicher Cu3−xP-Phasen 77 4.9.1. Elektronische Transporteigenschaften 77 4.9.2. Elektrochemische Charakterisierung 79 4.10. Zusammenfassung 82 5. Hochschmelzende ionische Flüssigkeiten in der Synthese von CuP2 84 5.1. Einleitung 84 5.2. Synthesevorschrift 85 5.3. Ergebnisse und Diskussion 85 5.4. Zusammenfassung 88 6. Fazit und Ausblick 89 A. Anhang 91 A.1. Röntgenpulverdiffraktometrie 91 A.2. Einkristall-Röntgenstrukturbestimmung 95 A.3. Rasterelektronenmikroskopie 99 A.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie 101 A.5. Elementaranalyse 107 A.6. Kernspinresonanzspektroskopie 108 A.6.1. Untersuchungen zur Bildung von Phosphorhalogeniden 108 A.6.2. Untersuchungen zur Bildung von Kupferphosphid 114 A.7. Raman-Spektroskopie 119 A.8. Röntgenabsorptionsspektroskopie 121 A.9. Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 122 A.10. Elektrische Transportmessungen 123 A.11. Elektrochemische Charakterisierung 124 A.12. Wärmekapazitätsmessungen 125 A.13. Strukturbilder 126 A.14. Fotografien und Skizzen 128 A.14.1. Reaktionsapparaturen 128 A.14.2. Auflösungsversuche von elementarem Phosphor 129 B. Literaturverzeichnis 131 C. Danksagung 145 D. Liste der Publikationen 147 E. Liste der Kooperationen 149 F. Versicherung und Erklärung 151

PFAS are anthropogenic substances used in many different industrial operations and products because of their unique properties. Due to their negative impact on human health and environmental bioaccumulative characteristics different authorities have addressed the issue. In Sweden the limit is4 ng/L for four different PFAS in drinking water. Another risk to human health is elevated concentrations of toxic elements, causing Sweden to include them in the drinking water regulations withlimits such as 5 µg/L for arsenic, 25 µg/L for chromium and 5 µg/L for lead.This study is a continuation of an investigation for PFAS remediation in contaminated water by sorption to pine and spruce bark. The earlier study was a laboratory scale and implied that pine and spruce have some sorption capacity for long-chain PFAS. In this study pine and spruce bark were used as sorbent at an industrial site. The analysis was performed by weak-anion exchange extraction followed bysupercritical fluid chromatography coupled with a tandem mass spectrometer (SFC-MS/MS) and liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometer (LC-MS/MS) for instrumental analyses of target ultra-short-chain PFAS, short- and long chain PFAS and branched PFOS isomers. An elemental analysis was executed with inductively coupled plasma mass spectrometry. The obtained results indicated removal for certain long-chain PFAS, potential for sorption of a specific ultra-short-chain PFAS and the elemental analysis implied some reduction of the chromium concentrations.

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Als van-der-Waals Heterostrukturen werden vertikale Stapelfolgen quasi-zweidimensionaler Kristalle bezeichnet. Durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten für die Grundlagenforschung und potentielle Anwendungen neuer Materialien. Für die Synthese solcher Schichtstrukturen haben sich in der Vergangenheit hauptsächlich zwei Methoden etabliert. Dies ist zum einen die manuelle Stapelung mechanisch exfolierter Lagen und zum anderen das sequentielle Schichtwachstum mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung. Ein entscheidender Nachteil bei der mechanischen Exfoliation ist dabei, dass die verwendeten zweidimensionalen Schichten unter Transportbedingungen stabil sein müssen. Die sequentielle Synthese wird dadurch limitiert, dass die idealen Wachstumsbedingungen für verschiedene Lagen nicht immer kompatibel sind. Einen alternativen Ansatz zur Herstellung von van-der-Waals Heterostrukturen verfolgt die MER-Synthese (engl. modulated elemental reactants). Dabei wird die gewünschte Schichtstruktur durch einen amorphen Precursor vorgegeben, welcher aus elementaren Schichten mit exakt kalibrierter Teilchenzahl aufgebaut wird. Aufgrund der Vorstrukturierung kann die Kristallisation beim anschließenden Tempern bei deutlich niedrigeren Wachstumstemperaturen erfolgen als bei klassischen Festkörpersynthesen. Auf diese Weise sind auch metastabile Verbindungen mit variablen Stapelfolgen zugänglich, jedoch Verbunden mit einem Verlust der langreichweitigen kristallinen Ordnung. Daher werden solche Heterostrukturen auch als Ferekristalle bezeichnet (nach dem lateinischen fere, zu Deutsch „fast“). Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung verschiedener Ferekristalle mittels Methoden der Oberflächenphysik. Der Fokus liegt dabei auf der elektronischen Struktur und den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten, welche über die Photoelektronenspektroskopie zugänglich sind. Insbesondere Ladungstransferphänomene lassen sich über die Analyse der atomaren Rumpfniveauspektren untersuchen. Dabei können zwei grundlegende Prozesse unterschieden werden: In Ferekristallen, die PbSe oder SnSe enthalten, zeigt sich eine Modulationsdotierung durch Elektronenübertrag in die benachbarten Übergangsmetalldichalkogenide. Verbindungen mit BiSe zeigen hingegen ein deutlich komplexeres Verhalten, da neben dem Ladungstransfer in benachbarte Schichten auch eine Lokalisation von Ladungsträgern an Antiphasendomänengrenzen erfolgen kann. In Kombination mit Molybdändiselenid treten bei entsprechend großem Elektronenübertrag aus BiSe gemischte Bereiche der halbleitenden 2H- und (metastabilen) metallischen 1T-Phase von MoSe2 auf. Durch eine Variation der Zusammensetzung und Stapelfolge der betrachteten Ferekristalle lassen sich diese Phänomene systematisch untersuchen. Zum Abschluss der Arbeit wird zudem die Anwendbarkeit der MER-Synthese für die Herstellung ultradünner Filme mit einer Dicke im Bereich von ein bis zwei Monolagen untersucht. Als Wachstumssubstrate kommen dabei Silizium und epitaktisches Graphen auf Siliziumcarbid zum Einsatz. Dabei konnte sowohl das Wachstum von Monolagen von MoSe2 als auch von Bilagen aus MoSe2 und Bi2Se3 erfolgreich demonstriert werden. / Vertical stacks of quasi-two-dimensional crystals are commonly referred to as van-der-Waals heterostructures. By combining layers with different physical properties, one opens up a variety of possibilities for fundamental research as well as the application of new materials. In the past, two prominent methods have been established for the synthesis of such layered structures: manual stacking of mechanically exfoliated layers and sequential layer-by-layer growth via chemical or physical vapor deposition. A decisive disadvantage of the mechanical exfoliation is that the two-dimensional layers that are to be stacked have to be stable under transport conditions. Sequential synthesis is limited by the fact that the ideal growth conditions for different layers are not always compatible. An alternative approach to the preparation of van-der-Waals heterostructures is the MER-synthesis. MER stands for modulated elemental reactants. Here, an amorphous precursor mimicking the desired structure is built up from elemental layers with a precisely calibrated number of atoms. Due to the prestructuring of the precursor, crystallization during subsequent annealing can take place at significantly lower growth temperatures compared to classical solid-state syntheses. With this approach, metastable compounds with variable stacking sequences become accessible, but at the expense of losing the long-range crystalline order. Therefore, such heterostructures are also referred to as ferecrystals (from the latin fere, meaning „almost“). The present work is devoted to the study of a variety of ferecrystals by means of surface science methods. The main focus is put on the electronic structure of and the interactions between the individual layers, which are accessible via photoelectron spectroscopy. In particular, charge transfer phenomena can be studied by analyzing the atomic core level spectra. Here, two distinct fundamental processes can be distinguished: In ferecrystals that contain PbSe or SnSe, electrons are transferred into the neighboring transition metal dichalcogenide layers, which can be applied in the form of controlled modulation doping. On the other hand, compounds with BiSe show a much more complex behavior. In addition to charge transfer into neighboring layers, localization of charge carriers can occur at antiphase domain boundaries. When combined with molybdenum diselenide, electron donation from BiSe can lead to a mixture of the semiconducting 2H- and (metastable) metallic 1T-phase of MoSe2. By varying the composition and layering sequence of the heterostructures, these phenomena can be investigated systematically. To conclude the thesis, the applicability of the MER synthesis for the preparation of ultrathin films with thicknesses in the range of one to two monolayers is investigated. In this study, silicon and epitaxial graphene on silicon carbide are used as growth substrates. The growth of monolayers of MoSe2 as well as bilayers of MoSe2 and Bi2Se3 is demonstrated successfully.

The placement of an unconformable surface within a stratal succession affects the interpreted thickness of units and sequences in contact with that surface. Unit thickness influences the interpretation of basin subsidence, paleotopography, diagenesis, and depositional style. Accurate placement of an unconformity results in true formational thicknesses for formations associated with that unconformity. True thicknesses aid in producing more precise surface to subsurface correlations, isopach maps, and paleogeographic maps. An unconformity may be difficult to identify in the stratal succession due to similar rocks above and below the unconformity and the presence of multiple candidate surfaces. Using statistical discriminant analysis of XRF data, formations bounding an unconformity can be discriminated by elemental composition which results in delineation of the associated unconformity. This discrimination is possible even for rocks that do not have significant differences in provenance if they have experienced distinct diagenetic histories. Elemental differences can be explained by quantity and type of cement. Three discriminant models were created. These models were tested with samples from three formations of similar facies, appearance, and provenance that are all associated with the same regional unconformity. All data, regardless of location, facies, or tectonic feature were used to create the first model. This model achieved moderate success by correctly classifying 80% of known samples. In a second model, data were grouped by facies trends. Separating the data by facies resulted in 94% of known samples being correctly classified. This model was most useful for delineation of an unconformity and discrimination of formations. A third model based solely on location or local tectonic feature produced the best results statistically. 96% of known samples were classified correctly. This third model does not compare locations to each other, thus making it less robust. This last model contributes by adding detail to interpretations made with the facies trend model.