Typischerweise sind Plasmen extrem heiß - diese hohen Energien sind nötig, um die Ionisationsschwelle der Atome zu überwinden und damit einen stabilen Plasmazustand zu gewährleisten. Folglich werden die physikalischen Eigenschaften dieser Plasmen für gewöhnlich durch die thermischen Energie der Plasmateilchen bestimmt, während Korrelationen zwischen den Ladungen eine untergeordnete Rolle spielen. Durch die rasanten Fortschritte auf dem Gebiet der ultrakalten Gase ist es jedoch ebenso möglich, Plasmen bei extrem tiefen Temperaturen zu erzeugen, indem lasergekühlte Atome photoionisiert werden. In diesen ultrakalten Plasmen (UKP) lassen sich aufgrund der niedrigen Temperaturen bereits deutliche Auswirkungen von Korrelationen beobachten, die zu gänzlich anderer Dynamik führen können als aus dem Bereich der heißen schwach gekoppelten Plasmen bekannt. Ähnliche Prozesse werden auch in dichten Plasmen beobachtet, in denen durch extrem kurzen Teilchenabstände die Wechselwirkungsenergie auch bei Temperaturen von über 10000 Kelvin die kinetische Energie dominiert. Dichte Plasmen spielen eine wichtige Rolle für technische Anwendungen wie die Trägheitsfusion. Im Gegensatz zu diesen dichten Plasmen realisieren UKP starke Korrelationen jedoch bei sehr viel geringen Dichten von ρ ∼ 10^9 cm^{−3} . Die daraus resultierende langsame Dynamik ist experimentell wesentlich besser zugänglich und macht diese System deshalb besonders interessant, um Korrelationseffekte in stark gekoppelten Plasmen zu studieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Effekten von starken Korrelationen auf verschiedene Relaxationsprozesse, die insbesondere, aber nicht ausschließlich in UKP eine bedeutende Rolle spielen. Neben dem fundamentalen Interesse an diesen Prozessen gilt ein Augenmerk auch möglichen experimentellen Tests der getroffenen Vorhersagen. Da die Theorie der schwach gekoppelten Plasmen Korrelationen größtenteils vernachlässigt, ist sie im Regime der UKP nur eingeschränkt anwendbar. Zur Berücksichtigung der starken Korrelationen werden in dieser Arbeit umfangreiche molekulardynamischen Simulationen eingesetzt, die teilweise mit quantenmechanischen Beschreibungen kombiniert werden, um den in UKP relevanten atomphysikalischen Aspekten gerecht zu werden. Im Rahmen dieser Rechnungen wird zunächst die seit langem ungeklärte Frage der Atombildung bei tiefen Temperaturen beantwortet. Dieser Prozess ist für UKP besonders relevanten, da die Rekombination die Lebensdauer des Plasmas bestimmt. Die konventionelle Theorie für Rekombination basiert auf der Annahme von von isolierten Drei-Körper-Stößen. Die daraus resultierende Rate divergiert mit abnehmender Temperatur und verliert daher ihre Gültigkeit im ultrakalten Bereich. In dieser Arbeit wird die Beschreibung der Rekombination mit Hilfe aufwendiger Vielteilchen-Simulationen auf den stark gekoppelte Bereich ausgebaut. Hierbei zeigt sich, dass die Rekombinationsrate im Bereich tiefer Temperaturen auf einen konstanten Wert konvergiert, so dass das Problem der divergierenden Rate gelöst werden kann. Ein weiteres, seit langem kontrovers diskutiertes Problem, stellt die Relaxation aufgrund von elastischen Stößen in stark gekoppelten Plasmen dar. Auch hier gilt, dass die konventionelle Theorie für heiße Plasmen, die auf Landau und Spitzer zurückgeht, aufgrund der Vernachlässigung von Korrelationen im Regime starker Kopplung unzureichend wird. Bisher waren keine experimentellen Ergebnisse verfügbar, um die verschiedenen Vorschläge zur Erweiterung der Landau-Spitzer-Beschreibung auf den stark gekoppelten Bereich zu beurteilen. In enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. T. C. Killian (Rice University, Houston, USA) können im Rahmen dieser Arbeit nun erstmals Relaxationsraten in stark gekoppelten Plasmen gemessen werden. Dazu wird mittels eines Pump-Probe-Verfahren die Relaxation der ionischen Geschwindigkeitsverteilung in UKP beobachtet. In dieser Arbeit konnte eine Methode zur Interpretation der experimentellen Daten entwickelt und durch semiklassische Simulationen der Parameterbereich enorm erweitert werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Landau-Spitzer-Theorie bereits bei geringen Kopplungsstärken deutliche Defizite aufweist und liefern erstmalig Vorhersagen im stark gekoppelten Bereich. Bei der Untersuchung der ionischen Relaxation wird deutlich, dass insbesondere experimentelle Ergebnisse bei hohen Kopplungsstärken von Interesse sind. Derzeit sind typische UKP-Experimente jedoch auf mäßige Kopplungsstärken limitiert. Ursache hierfür ist, dass das Plasma in einem Zustand weit entfernt vom Gleichgewicht erzeugt wird. Bei der Relaxation ins Gleichgewicht kommt es zu einer Ausbildung von Korrelationen und damit zu einer Umwandlung von potentieller in kinetische Energie. In dieser Arbeit wird deshalb ein neues Plasmaherstellungsverfahren vorgeschlagen, das für die Ionen dieses „Korrrelationsheizen“ stark unterdrücken kann. Durch eine kollektive Anregung kalter Atome in Rydberg-Zustände werden vor der Photoionsation der Atome Korrelationen im atomaren Gas induziert. Es wird gezeigt, dass diese Korrelationen durch eine selektive Ionisation der Rydberg-Atome mit Hilfe von Mikrowellen an das Plasma weitergegeben werden können. Dadurch verringert sich das Korrelationsheizen und eröffnet neue Perspektiven für Untersuchungen ultrakalter Plasmen tief im stark gekoppelten Regime.

The physics of transition metal oxides is controlled by the combination and competition of several degrees of freedom, in particular the charge, the spin and the orbital state of the electrons. One important parameter responsible for the physical properties is the density of charge carriers which determines the oxidization state of the transition metal ions. The central objective in this work is the study of transition metal oxides in which the charge carrier density is adjusted and controlled via lithium intercalation/deintercalation using electrochemical methods. Lithium exchange can be achieved with a high degree of accuracy by electrochemical methods. The magnetic properties of various intermediate compounds are studied. Among the materials under study the mixed valent vanadium-oxide multiwall nanotubes represent a potentially technologically relevant material for lithium-ion batteries. Upon electron doping of VOx-NTs, the data confirm a higher number of magnetic V4+ sites. Interestingly, room temperature ferromagnetism evolves after electrochemical intercalation of Li, making VOx-NTs a novel type of self-assembled nanoscaled ferromagnets. The high temperature ferromagnetism was attributed to formation of nanosize interacting ferromagnetic spin clusters around the intercalated Li ions. This behavior was established by a complex experimental study with three different local spin probe techniques, namely, electron spin resonance (ESR), nuclear magnetic resonance (NMR) and muon spin relaxation spectroscopies. Sr2CuO2Br2 was another compound studied in this work. The material exhibits CuO4 layers isostructural to the hole-doped high-Tc superconductor La2-xSr2CuO4. Electron doping is realized by Li-intercalation and superconductivity was found below 9K. Electrochemical treatment hence allows the possibility of studying the electronic phase diagram of LixSr2CuO2Br2, a new electron doped superconductor. The effect of electrochemical lithium doping on the magnetic properties was also studied in tunnel-like alpha-MnO2 nanostructures. Upon lithium intercalation, Mn4+ present in alpha-MnO2 will be reduced to Mn3+, resulting in a Mn mixed valency in this compound. The mixed valency and different possible interactions arising between magnetic spins give a complexity to the magnetic properties of doped alpha-MnO2.

In der vorliegenden Arbeit werden in einem temperaturvariablen (10 K-300 K) 22-Pol-Ionenspeicher Ion-Molekuel-Reaktionen bei tiefen Temperaturen in der Gasphase untersucht. Die Ionentemperatur wird mit spektroskopischen Methoden charakterisiert. Es ergibt sich gute Uebereinstimmung zwischen Translations- und Rotationstemperatur der Ionen und der nominellen Speichertemperatur. Es werden zwei Systeme untersucht, die ueber langlebige Zwischenkomplexe ablaufen: (i) die Assoziation des Methyl-Kations mit Kohlenmonoxid bei 80 K und (ii) Wachstums-, Fragmentations- und Deuterierungsdynamik kationischer Wasserstoffcluster in Para- und Normal-Wasserstoff sowie Deuterium bei 10 K. Es ergeben sich sehr grosse Assoziationsratenkoeffizienten fuer Reaktion (i), die gut mit theoretischen Vorhersagen uebereinstimmen. Die Bildungsratenkoeffizienten kleiner Wasserstoffcluster (H_i^+,i<9) in Normal-Wasserstoff (75 Prozent Ortho-Anteil) sind stark reduziert gegenueber der Bildung in reinem Para-Wasserstoff. Dies laesst sich durch den Uebertrag der Rotationsenergie des Ortho-Wasserstoffs auf den Cluster erklaeren. Das Studium der Deuterierungsdynamik zeigt, dass der Austausch einzelner Protonen in kleineren Clustern sehr schnell ab- laeuft, mit Erreichen des {H_9^+} aber fast zum Stillstand kommt. Diese Resultate kann man auf der Grundlage einer dynamischen Schalenstruktur verstehen.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen sehr elementaren chemische Reaktionen in der Gasphase: Elektron-Transfer Prozesse oder die Uebertragung eines einzelnen Protons. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Reaktions-Dynamik, die sich in der Energie- und Winkelverteilung der Produkte aeussert. Neben einer schon vorhandenen Guided-Ion-Beam Apparatur, in der ein durch elektrische Hochfrequenzfelder gefuehrter Ionenstrahl mit dem Neutralgas in einer Streukammer wechselwirkt, wurde fuer die Untersuchungen eine neu aufgebaute Apparatur TITAP (Transverse Ion Trap APparatus) verwendet, in der unter Verwendung eines 22Pol Ionen-Speichers ein Streuexperiment zwischen einem Molekularstrahl von Neutralteilchen und einem stationaeren Ionentarget realisiert wird. Die Aussagen der Experimente in beiden Apparaturen ergaenzen sich dabei. Als Beispiel fuer einen Protonen bzw. Deuteronenaustausch wurden fuer die sehr fundamentale Reaktion H- + D2 -> D- + HD und ihre isotopische Variante D- + H2 -> H- + HD integrale und differentielle Querschnitte bestimmt. In guter Uebereinstimmung mit Ergebnissen einer Kreuzstrahlapparatur zeigt die Reaktion eine ausgepraegte Vorwaertsstreuung bei kleinen Stossenergien. Fuer den Elektron-Transfer konnten sowohl in einfachen dreiatomigen Systemen (Ar+ + N2, Ar+ + D2) wie auch in Reaktionen von Edelgas-Ionen mit Kohlenwasserstoffen (Ethan, Propan) Translationsexoergizitaeten bei kleinen Stossenergien (<= 1eV) bestimmt werden. Im Fall der Kohlenwasserstoffe zeigt sich bei Variation der Stossenergie im Bereich 100meV bis 5 eV nur eine geringe Aenderung der Verzweigungsverhaeltnisse fuer die entstehenden unterschiedlichen Fragmente. Die Empfindlichkeit der Speichertechnik fuer sehr langsam ablaufende Prozesse wurde am Beispiel der Feinstruktur-Relaxation von Argon-Ionen in Stoessen mit Helium bei tiefen Temperaturen gezeigt. Die neue Apparatur hat aber noch grosse Vorzuege fuer weitere geplante Projekte, wie die Untersuchung von Reaktionen mit Radikalen (Wasserstoff-, Stickstoff-, Kohlenstoffatomen) oder Elektron-Ion Rekombination.

In der vorliegenden Arbeit wurden Messungen zur Multiphotonenanregung von HCl durchgeführt. Die untersuchten Moleküle wurden dabei in einem Molekularstrahl innerhalb eines Vierpols durch Laserlicht variabler Wellenlänge angeregt. Bei verlustfreier Führung im Vierpol konnten die dabei entstandenen Ionen anhand ihrer Flugzeit bestimmt werden. Die Aufnahme von Wellenlängenspektren für einzelne Massen ermöglichte die Bestimmung der am Zerfall des Moleküls beteiligten resonanten Zwischenzustände. Eine Analyse der Flugzeitspektren der Protonen führte zu genaueren Aussagen über die vorliegenden Zerfallskanäle. Der Schwerpunkt dieser Arbeit wurde dabei auf die Ionenpaarbildung, H+ + Cl-, gelegt.

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Self-organization is a hot topic as it has the potential to create surface patterns on the nanoscale avoiding cost-intensive top-down approaches. Although chemists have promising results in this area, ion irradiation can create self-organized surface patterns in a more controlled manner. Different regimes of pattern formation under ion irradiation were described so far by 2D models. Here, two new regimes have been studied experimentally, which require modeling in 3D: subsurface point defect kinetics as well as ion impact-induced melt pool formation. This thesis deals with self-organized pattern formation on Ge and Si surfaces under normal incidence irradiation with heavy monatomic and polyatomic ions of energies up to several tens of keV. Irradiation has been performed using liquid metal ion sources in a focused ion beam facility with mass-separation as well as by conventional broad beam ion implantation. Irradiated samples have been analyzed mainly by scanning electron microscopy. Related to the specific irradiation conditions, investigation and discussion of pattern formation has been divided into two parts: (i) formation of Ge morphologies due to point defect kinetics and (ii) formation of Ge and Si morphologies due to melt pool dynamics. Point defect kinetics dominates pattern formation on Ge under irradiation with monatomic ions at room temperature. Irradiation of Ge with Bi and Ge ions at fluences up to 10^17 cm^(-2) has been performed. Comprehensive studies show for the first time that morphologies change from flat surfaces over hole to nanoporous, sponge-like patterns with increasing ion energy. This study is consistent with former irradiations of Ge with a few ion energies. Based on my studies, a consistent, qualitative 3D model of morphology evolution has been developed, which attributes the ion energy dependency of the surface morphology to the depth dependency of point defect creation and relaxation. This model has been proven by atomistic computer experiments, which reproduce the patterns found in real irradiation experiments. At extremely high energy densities deposited by very heavy ions another mechanism dominates pattern formation. The formation of Ge and Si dot patterns by very heavy, monatomic and polyatomic Bi ion irradiation has been studied in detail for the first time. So far, this formation of pronounced dot pattern cannot be explained by any model. Comprehensive, experimental studies have shown that pattern formation on Ge is related to extremely high energy densities deposited by each polyatomic ion locally. The simultaneous impact of several atoms leads to local energy densities sufficient to cause local melting. Heating of Ge substrates under ion irradiation increases the achievable energy density in the collision cascade substantially. This prediction has been confirmed experimentally: it has been found that the threshold for nanomelting can be lowered by substrate heating, which allows pattern formation also under heavy, monatomic ion irradiation. Extensive studies of monatomic Bi irradiation of heated Ge have shown that morphologies change from sponge-like over highly regular dot patterns to smooth surfaces with increasing substrate temperature. The change from sponge-like to dot pattern is correlated to the melting of the ion collision cascade volume, with energy densities sufficient for melt pool formation at the surface. The model of pattern formation on Ge due to extremely high deposited energy densities is not specific to a single element. Therefore, Si has been studied too. Dot patterns have been found for polyatomic Bi ion irradiation of hot Si, which creates sufficiently high energy densities to allow ion impact-induced melt pool formation. This proves that pattern formation by melt pool formation is a novel, general pattern formation mechanism. Using molecular dynamics simulations of project partners, the correlation between dot patterning and ion impact-induced melt pool formation has been proven. The driving force for dot pattern formation due to high deposited energy densities has been identified and approximated in a first continuum description.

Rechargeable lithium-ion batteries are now attracting great attention for applications in portable electronic devices and electrical vehicles, because of their high energy density, long cycle and great convenience. For new generations of rechargeable lithium-ion batteries, they applied not only to consumer electronics but also especially to clean energy storage and hybrid electric vehicles. Therefore, further breakthroughs in electrode materials that open up a new important avenue are essential. Graphite, the most commonly used commercial anode material, has a limited reversible lithium intercalation capacity (372 mAh g-1). In this regard, tremendous efforts have been made towards even further improving high capacity, excellent rate capability, and cycling stability by developing advanced anode materials. This work focuses on the lithium storage properties of nickel oxide (NiO) and germanium (Ge) nanomembranes anodes mainly fabricated by electron-beam evaporation. Specifically, NiO is selected for conversion-type material because of high theoretical specific capacity of 718 mAh g-1 and easily obtained material. The resultant curved NiO nanomembranes anodes exhibit ultrafast power rate of 50 C (1 C = 718 mA g-1) and good capacity retention (721 mAh g-1, 1400 cycles). Remarkably, multifunctional Ni/NiO hybrid nanomembranes were further fabricated and investigated. Benefiting from the advantages of the intrinsic architecture and the electrochemical catalysis of metallic nickel, the hybrid Ni/NiO anodes could be tested at an ultrahigh rate of ~115 C. With Ge as active alloying-type material (1624 mAh g-1), the effect of the incorporated oxygen to the lithium storage properties of amorphous Ge nanomembranes is well studied. The oxygen-enabled Ge (GeOx) nanomembranes exhibit improved electrochemical properties of highly reversible capacity (1200 mAh g-1), and robust cycling performance.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag für ein besseres Verständnis über die zyklische Alterung von Siliciumnanopartikel (Si-NP) als Anodenmaterial in Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien. Im Fokus der Studie stand der Einfluss der Partikelgröße, des Elektrodendesigns und der Elektrolytzusammensetzung auf die elektrochemische Reversibilität des Siliciums zur Lithiumspeicherung. Über umfangreiche strukturelle Charakterisierungstechniken mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Verbindung mit elektrochemischen Untersuchungsmethoden, konnten wesentliche Mechanismen zur Degradation aufgeklärt und die Funktion diverser Oberflächenverbindungen auf der Siliciumanode identifiziert werden. Als Hauptursache der Degradation von Si-NP mit einer Partikelgröße unter 20 nm konnte das Wachstum der Solid-Electrolyte-Interface (SEI) identifiziert werden. Pulverisierung und die Bildung neuer kristalliner Phasen kann ausgeschlossen werden. Es wurde ein kostengünstiges und flexibles Verfahren zur Herstellung eines nanostrukturierten Silicium-Kohlenstoff-Komposites entwickelt, welches unter optimierten Bedingungen eine spezifische Kapazität von 1280 mAh/g(Elektrode) und einen Kapazitätserhalt von 81 % über 500 Tiefentladungszyklen liefert. Es konnten erfolgreich hoch reversible Flächenkapazitäten von 5 mAh/cm^2 bei nur 4,4 mg/cm^2 Elektrodengewicht nachgewiesen werden. Für die Arbeit wurde zunächst ein Verfahren zur Herstellung von monodispersen Si-NP mit einer Größe von 5 nm – 20 nm angewendet. Die galvanostatische Zyklierung gegen Lithiummetall hat ergeben, dass mit abnehmender Partikelgröße die Reversibilität des Siliciums zunimmt. Über in situ Synchrotron XRD und post mortem XPS konnte eine stabilere Solid-Electrolyte-Interface (SEI) mit abnehmender Partikelgröße als Hauptursache identifiziert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden Si-NP im porösen Kohlenstoffgerüst durch ein leicht modifiziertes Herstellungsverfahren abgeschieden und untersucht. Durch das veränderte Elektrodendesign konnte die Reversibilität bei gleichem Kohlenstoffgehalt deutlich verbessert werden, da der Kontaktverlust des Siliciums zum leitfähigen Gerüst durch SEI Wachstum verzögert wird. Die Elektrolytadditive Fluoroethylencarbonat und Vinylencarbonat führen zu einer weiteren Verbesserung der Reversibilität, wobei Vinylencarbonat die höchste Reversibilität zur Folge hat, jedoch einen hohen Filmwiderstand verursacht. Weiterhin wurden etherbasierte Elektrolyte, welche typischerweise in Lithium-Schwefel-Batterien zum Einsatz kommen, untersucht. Hierbei wurde eine positive Wirkung von Lithiumnitrat auf die Reversibilität von Silicium festgestellt. Es konnten erfolgreich Si-Li-S (SLS) Vollzellen getestet werden, welche eine höhere Lebensdauer als vergleichbare Zellen mit Lithiummetall als Anode aufweisen. Aus den elektrochemischen und post mortem Untersuchungen konnte ein positiver Einfluss von Polysulfiden auf die SEI von Silicium nachgewiesen werden. Durch die umfangreichen post mortem Analysen konnte die Funktion diverser, in der SEI des Siliciums auftretender Verbindungen in Abhängigkeit der Elektrolytzusammensetzung aufgeklärt werden. Es wurde ein anschaulicher Mechanismus des SEI Wachstums in Abhängigkeit des Elektrolyts erstellt. / The results of this work provide a better understanding about the cyclic aging of silicon nanoparticles (Si-NP) as anode material in Lithium-ion- and Lithium-sulfur batteries. Subject of investigation was the influence of particle size, electrode design and electrolyte composition on the electrochemical reversibility of Si-NP for lithium storage. The main characterization techniques used in this study were XRD, SEM, TEM and XPS combined with electrochemical analysis and in situ synchrotron XRD. Bare silicon nanoparticles ranging from 5 – 20 nm and silicon nanoparticles embedded within a porous carbon scaffold were prepared through a cost-effective and novel synthesis technique including the hydrolysis of trichlorosilane as feedstock. The dominant degradation mechanism of these silicon nanoparticles was identified to be the continuous growth the solid-electrolyte-interphase (SEI). Other phenomena such as pulverisation or new evolving crystalline phases are excluded. It was found that a reduction of the particle size from 20 nm to 5 nm increases the reversibility due to a thicker and therewith more stable SEI. The deposition of the silicon nanoparticles into a porous carbon scaffold caused a significant improvement of the reversibility at constant carbon content. The effect of the electrolyte additives Fluoroethylene carbonate and Vinylene carbonate was analysed in detail. Furthermore, typical electrolyte compositions used for lithium-sulfur-batteries were tested and studied. Si-Li-S (SLS) full cells were demonstrated which outperform conventional lithium-sulfur batteries in terms of life time. The systematic analysis and the rational optimization process of the particle size, electrode design and electrolyte composition allowed to provide a nanostructured silicon electrode with a specific capacity of up to 1280 mAh/g(Electrode) and 81 % capacity retention after 500 deep discharge cycles. Reversible areal capacities of 5 mAh/cm^2 at 4.4 mg/cm^2 electrode weight were demonstrated.

In der vorliegenden Arbeit werden in einer Guided-Ion-Beam - Apparatur Ionen-Molekuel-Reaktionen einfacher Kohlenwasserstoffsysteme in der Gasphase untersucht. Dabei werden die Methoden zur Messung von differentiellen und integralen Querschnitten auf polyatomare Systeme uebertragen und insbesondere der Informationsgehalt differentieller Querschnitte fr komplexere, polyatomare Reaktionssysteme analysiert. Es werden Reaktionen zwischen dem Methyl-Kation (CH3+/CD3+) und den Neutralmolekuelen Methan, Ethan, Propan, Ethen und Propen untersucht. Fuer Stossenergien zwischen 0.1 eV und 7 eV werden absolute Ratenkoeffizienten der einzelnen Reaktionskanaele gemessen und aus der Analyse der Produktgeschwindigkeitsverteilungen eine Zuordnung zu grundlegenden Reaktionsmechanismen vorgenommen. Durch Vergleich der Einzelergebnisse zeigen sich grundlegende Gemeinsamkeiten, aber auch entscheidende Unterschiede in der Reaktionsdynamik kleiner Kohlenwasserstoffsysteme. Fuer die Reaktionen mit Alkanen wird ein umfassendes Reaktionsmodell diskutiert. Die apparative Erweiterung um einen 22-Pol-Zwischenspeicher erlaubt die Relaxation angeregter Primaerionen. An zwei Beispielen wird die Funktionsfaehigkeit demonstriert.