This thesis focuses on the synthesis and characterisation of organoclays. X-ray diffraction has been used to study the changes in the basal spacings of montmorillonite clay and surfactant-intercalated organoclays. Variation in the d-spacing was found to be a step function of the surfactant concentration. Three different molecular environments for surfactant octadecyltrimethylammonium bromide (ODTMA) within the surface-modified montmorillonite are proposed upon the basis of their different decomposition temperatures. High-resolution thermogravimetric analysis (HRTG) shows that the thermal decomposition of montmorillonite modified with ODTMA takes place in four steps attributing to dehydration of adsorbed water, dehydration of water hydrating metal cations, loss of surfactant and the loss of OH units respectively. In addition, it has shown that the decomposition procedure of DODMA and TOMA modified clays are very different from that of ODTMA modified ones. The surfactant decomposition takes place in several steps in the DODMA and TOMA modified clays while for ODTMA modified clays, it shows only one step for the decomposition of surfactant. Also TG was proved to be a useful tool to estimate the amount of surfactant within the organoclays. A model is proposed in which, up to 0.4 CEC, a surfactant monolayer is formed between the montmorillonite clay layers; up to 0.8 CEC, a lateral-bilayer arrangement is formed; and above 1.5 CEC, a pseudotrimolecular layer is formed, with excess surfactant adsorbed on the clay surface. While for dimethyldioctadecylammonium bromide (DODMA) and trioctadecylmethylammonium bromide (TOMA) modified clays, since the larger sizes of the surfactants, some layers of montmorillonite are kept unaltered because of steric effects. The configurations of surfactant within these organoclays usually take paraffin type layers. Thermal analysis also provides an indication of the thermal stability of the organoclay as shown by different starting decomposition temperatures. FTIR was used as a guide to determine the phase state of the organoclay interlayers as determined from the CH asymmetric stretching vibration of the surfactants to provide more information on surfactant configurations. It was used to study the changes in the spectra of the surfactant ODTMA upon intercalation into a sodium montmorillonite. Surfaces of montmorillonites were modified using ultrasonic and hydrothermal methods through the intercalation and adsorption of the cationic surfactant ODTMA. Changes in the surfaces and structure were characterized using electron microscopy. The ultrasonic preparation method results in a higher surfactant concentration within the montmorillonite interlayer when compared with that from the hydrothermal method. Both XRD patterns and TEM images demonstrate that SWy-2-Namontmorillonite contains superlayers. TEM images of organoclays prepared at high surfactant concentrations show alternate basal spacings between neighboring layers. SEM images show that modification with surfactant will reduce the clay particle aggregation. Organoclays prepared at low surfactant concentration display curved flakes, whereas they become flat with increasing intercalated surfactant. Fundamentally this thesis has increased the knowledge base of the structural and morphological properties of organo-montmorillonite clays. The configurations of surfactant in the organoclays have been further investigated and three different molecular environments for surfactant ODTMA within the surface-modified montmorillonite are proposed upon the basis of their different decomposition temperatures. Changes in the spectra of the surfactant upon intercalation into clay have been investigated in details. Novel surfactant-modified montmorillonite results in the formation of new nanophases with the potential for the removal of organic contaminants from aqueous media and for the removal of hydrocarbon spills on roads.

Graphen und Graphit als Vertreter sp2-hybridisierter Kohlenstoffmaterialien weisen sehr gute elektronische Eigenschaften auf, die sich in vielen Fällen durch Adsorption oder Interkalation von Metallatomen weiter verbessern lassen. In dieser Arbeit wird die atomare Struktur von nickelinterkaliertem Graphit sowie von nickelbesetztem Mono- und Bilagen-Graphen und deren Stabiität mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet und untereinander verglichen. Durch Untersuchung des Einflusses der Nickelatomdichte sowie von Anzahl und Abstand der Kohlenstofflagen werden verallgemeinerte Vorhersagen für Graphitmaterialien mit Nickelinterkalation und deren Verhalten bei externen Verspannungen möglich. Abschließend wird der Einfluss der Nickelatome auf die elektronischen Eigenschaften anhand der Bandstruktur untersucht. Aufgrund zusätzliche Bänder in der Nähe der Fermienergie kann eine Verbesserung des elektrischen Transportes angenommen werden.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1. Einleitung 2. Überblick zu Kohlenstoffmaterialien 2.1. Formen des Kohlenstoffs 2.2. Interkalation 2.3. Elektronische Eigenschaften 3. Dichtefunktionaltheorie 3.1. Motivation 3.2. Das Hohenberg-Kohn-Theorem 3.3. Berechnung der Elektronendichte 3.4. Abschätzung der Austausch-Korrelations-Energie 3.4.1. Lokale Dichtenäherung 3.4.2. Verallgemeinerten Gradientennäherung 4. Simulationsmethodik 4.1. Modellsystem 4.2. Software und Rechenparameter 5. Ergebnisse 5.1. Gleichgewichtspositionen 5.1.1. Nickelbesetztes Graphen 5.1.2. Interkalierte Systeme 5.1.3. Betrachtung höherer Nickeldichten 5.2. Einfluss des Lagenabstandes und Stabilitätsbetrachtungen 5.3. Elektronische Eigenschaften 5.3.1. Einfluss der geometrischen Struktur 5.3.2. Bandstruktur von nickelbesetztem Graphen 5.3.3. Bandstrukturen der interkalierten Systeme 6. Zusammenfassung und Ausblick A. Einfluss der Nickeldichte B. SCAN-Funktional und ebeneWellen C. Energielandschaften bei konstantem Lagenabstand D. Spineffekte in der Bandstruktur E. Fette Bandstruktur der weiteren Systeme Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung ausgewählter niederdimensionaler Schichtgittersysteme, wobei das Hauptinteresse in der Erforschung der elektronischen Struktur im Zusammenhang mit Interkalationsexperimenten liegt. Einkristalline Graphit-, TiSe2- und TaSe2-Proben wurden vor und nach der Interkalation mit winkelaufgelöster Photoemission, Fermi- und Isoenergieflächenmessungen und Elektronenbeugung (LEED) analysiert. Als Interkalationsmaterialien wurden U, Eu, Gd und Cs verwendet. Die experimentellen Daten wurden mit Ergebnissen von LDA-LCAO-Bandstrukturrechnungen und Simulationen im Rahmen eines Single-Impurity-Anderson-Modells verglichen. Neben dem Einfluß unterschiedlicher Valenzelektronen der interkalierten Atome auf den Einlagerungsprozeß werden Fragen zum Lokalisierungsverhalten von 4f- und 5f-Zuständen und zu den Veränderungen in der Dimensionalität der Verbindungen durch die Einlagerung diskutiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit befaßt sich mit Untersuchungen zur temperaturabhängigen Ausbildung von Ladungsdichtewellen in 1T-TaSe2. / Subject of the present thesis are investigations of selected low-dimensional layered lattice systems, with the principal goal to study the electronic structure in relation to intercalation experiments. Single-crystalline graphite-, TiSe2 - and TaSe2- samples were analyzed by angle-resolved photoemission, Fermi- and isoenergy-surface measurements, and low energy electron diffraction experiments before and after intercalation. U, Eu, Gd, and Cs were used as materials for the intercalation process. The experimental results were compared with theoretical LDA-LCAO band-structure calculations and with simulations in the framework of a single-impurity Anderson model. In addition to the influence of different numbers of valence electrons from intercalated atoms, questions concerning the localization of 4f and 5f states and changes in the dimensionality of the compounds due to the intercalation process are discussed. Investigations of the temperature dependent formation of charge density waves in 1T-TaSe2 complete this work.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der elektrochemischen Prozesse an der Elektrodengrenzfläche und im Festkörper graphitischer Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Der Zusammenhang zwischen den intrinsischen Eigenschaften des Aktivmaterials und den resultierenden Eigenschaften von Kompositelektroden stand dabei im Fokus der Untersuchungen. Die Temperaturabhängigkeit von Materialeigenschaften (Diffusionskoeffizient, Austauschstromdichte) und Elektrodeneigenschaften (Verhalten unter Strombelastung) wurde in einem Bereich von 40 °C bis -10 °C erfasst. Dazu werden elektrochemische Charakterisierungsmethoden aus der Literatur vorgestellt und hinsichtlich ihrer Gültigkeit für die Anwendung an realen Elektroden evaluiert. Die elektrochemisch aktive Oberfläche wurde bestimmt und stellte sich als ausschlaggebender Parameter für die Bewertung der Elektrodenprozesse heraus. Auf Basis korrigierter Elektrodenoberflächen konnten Austauschstromdichten für die konkurrierenden Prozesse Lithium-Interkalation und -Abscheidung ermittelt werden. Zusammen mit Kennwerten zur Keimbildungsüberspannung für Lithium-Abscheidung flossen die ermittelten Kennwerte in eine theoretische Berechnung des Zellstroms ein. Es konnte gezeigt werden, dass die Lithium-Abscheidung kinetisch deutlich gegenüber der Lithium-Interkalation bevorzugt ist, nicht nur bei niedriger Temperatur. Die Übertragbarkeit wissenschaftlicher Grundlagenexperimente auf kommerzielle Systeme war bei allen Versuchen Gegenstand der Untersuchungen. In einem separaten Beispiel einer Oberflächenmodifikation mit Zinn wurde diese Problematik besonders verdeutlicht. Zusätzlich wurde die parasitäre Abscheidung von Lithium auf graphitischen Anoden hinsichtlich der Nachweisbarkeit und Quantifizierung evaluiert. Hierfür wurde eine neue Untersuchungsmethode im Bereich der Lithium-Ionen-Batterie zur besseren Detektion von Lithium-Abscheidung und Grenzflächen-Morphologie mittels Elektronenmikroskopie entwickelt. Die Osmiumtetroxid (OsO4) Färbung ermöglichte eine deutliche Verbesserung des Materialkontrasts und erlaubte somit eine gezielte Untersuchung von graphitischen Anoden nach erfolgter Lithium-Abscheidung. Darüber hinaus konnte die selektive Reaktion des OsO4 für eine genauere Betrachtung der Solid Electrolyte Interphase genutzt werden. Eine Stabilisierung der Proben an Luft und im Elektronenstrahl konnte erreicht werden. / This work sheds light on the electrochemical processes occurring at commercially processed graphitic anodes. It raises the question whether values published in literature for mostly ideal electrode systems can be readily taken for simulation and design of real electrodes in high-energy cells. A multiple step approach is given, evaluating different methods to determine electrode and material properties independently. The electrochemically active surface area was shown to be a crucial parameter for the calculation of electrode kinetics. Using exchange current densities corrected for the electrode surface area, the overall charging current in a cell could be calculated. The resulting part of lithium deposition in the charging process is strikingly high, not only at low temperatures. To further investigate lithium deposition in terms of morphology and quantity, a method was developed for graphitic anodes. Osmium tetroxide (OsO4) staining serves well as a tool to strongly increase material contrast in electron microscopy. Thus lithium dendrites could be made visible in an unprecedented manner. Furthermore, the selective chemical reaction of osmium tetroxide allows for a better investigation of the multi-layer solid electrolyte interphase as was shown in transmission electron microscopy. Using the staining method, a stabilization of the sample under air and in the electron beam could be achieved.

Geschichtete bzw. 2D Materialien bieten interessante Eigenschaften für Halbleiteranwendungen, wie Photonik durch direkte Bandlücken und Miniaturisierung durch atomar dünne Schichten. Diese Arbeit behandelt die Isolierung von 2D-Materialien und die Kontrolle über ionische Modulation in den resultierenden Bauteilen. Im ersten Kapitel wird eine silbervermittelte Exfoliation für MoS₂ eingeführt, die Monolagen mit großer Fläche liefert. Diese Technik ist ebenso leistungsfähig wie goldvermittelte Prozesse und erfordert nur einen einfachen Heizschritt, was zukünftige Exfoliationen erleichtern könnte. Die folgenden Kapitel befassen sich mit Funktionen, die durch kontrolliertes ionisches Gating ermöglicht werden. Im zweiten Kapitel wird die kontrollierte Li-Interkalation in LixZrNCl genutzt, um Supraleitung bei niedriger Ladungsträgerdichte zu untersuchen (BCS-BEC-Übergang). Durch Steuerung der Li-Menge wurden Veränderungen in der Vortex-Dynamik aufgedeckt, z.B. ein Vorzeichenwechsel im Vortex-Hall-Effekt, was auf eine Veränderung der Vortex-Flussdynamik in BEC-ähnlicher Supraleitung zurückgeführt wurde. Diese Erkenntnisse sind relevant für die Entwicklung von Supraleitern. Das dritte Kapitel wechselt zu Bauteilen auf Basis der elektrochemischen Doppelschicht (EDL). Ein 2D MoS₂-synaptischer Transistor wurde demonstriert, wobei gezeigt wurde, dass die Hysterese auf Ionenretention an der EDL zurückzuführen ist. Diese Kombination eines 2D-Materials mit einem Polymerelektrolyten emuliert synaptische Lernprozesse wie gepaarte Puls-Fazilitation und arbeitet energieeffizient. Das letzte Kapitel verlagert das ionische Gating auf das Substrat mittels Li-Ionen-leitender Keramiken für operando-Messungen an 2D-Materialien. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit neben der Exfoliation die vielfältigen Funktionen, die durch kontrolliertes ionisches Gating verfügbar sind, einschließlich Supraleitung bei niedriger Ladungsträgerdichte, neuromorphe Bauteile und operando-Plattformen. / Layered materials and their 2D single-layer forms offer interesting properties for semiconductor applications, such as photonics due to direct band gaps and miniaturization through atomically thin layers. This work addresses the isolation of 2D materials and the control via ionic modulation in the resulting devices. In the first chapter, a silver-mediated exfoliation for MoS₂ is introduced, yielding large-area monolayers. This technique is as effective as gold-mediated processes and requires only a simple heating step, potentially simplifying future exfoliations. The following chapters explore functions enabled by controlled ionic gating. The second chapter utilizes controlled Li intercalation in LixZrNCl to investigate superconductivity at low charge carrier densities to investigate superconductivity within the BCS-BEC crossover. By adjusting the Li content, changes in vortex dynamics were revealed, such as a sign reversal in the vortex Hall effect, attributed to altered vortex flow in increasingly BEC-like superconductivity. These findings are relevant for the development of future superconductors. The third chapter shifts to devices based on the electric double layer (EDL). A 2D MoS₂ synaptic transistor was demonstrated, showing that hysteresis and hence the short-term memory effect stems from ion retention in the EDL formed at the 2D material electrolyte interface. This combination of a 2D material with a polymer electrolyte emulates synaptic learning processes like paired-pulse facilitation and operates in an energy-efficient manner. The final chapter translates the ionic gating to the substrate using Li-ion-conducting ceramics for operando measurements on 2D materials in “open-hood” devices. In summary, besides exfoliation, this work demonstrates the diverse functions achievable through controlled ionic gating applied to 2D and layered materials, including superconductivity at low charge carrier densities, neuromorphic devices, and operando platforms.