Die rasanten Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger 2D-Materialien haben in den letzten Jahren auch das Forschungsfeld der Spintronik stetig bereichert aufgrund der vielseitigen physikalischen Eigenschaften und der Flexibilität hinsichtlich der Realisierung von Heterostrukturen. Das erst kürzlich entdeckte metastabile und geschichtete Material alpha-FeGe2 trägt das Potenzial, in die Klasse der bekannten 2D Materialien aufgenommen zu werden. In dieser Dissertation werden die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von alpha-FeGe2 diskutiert, basierend auf elektrischen Transportmessungen bei unterschiedlichen äußeren Magnetfeldern und Temperaturen. Zur Untersuchung von magnetoresistiven Effekten wurden Spinventilstrukturen mit alpha-FeGe2 als Trennmaterial zwischen zwei metallische Ferromagnete verwendet. Es wird gezeigt, dass alpha-FeGe2 eine dickenabhängige kritische Temperatur besitzt, die bei etwa 100 K liegt und mit einem magnetischen Phasenübergang von der antiferromagnetischen Phase für T > 100 K in die ferromagnetische Phase bei T < 100 K verknüpft ist. Dieser Phasenübergang wird von Berechnungen aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestützt. Es wird gezeigt, dass die magnetische Ordnung in der alpha-FeGe2-Trennschicht einen starken Einfluss auf die Spinventilsignale ausübt. Insbesondere spielt hierbei die Auswirkung auf die magnetische Interschichtkopllung zwischen den ferromagnetischen Elektroden aus Fe3Si oder Co2FeSi eine entscheidende Rolle. Die magnetische Kopplung an der Grenzfläche zwischen antiferromagnetischem alpha-FeGe2 und Fe3Si führt zu einer Anisotropie in den Spinventilsignalen hinsichtlich der Orientierung des externen Magnetfeldes. Diese Anisotropie wird durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Magnetisierung der ferromagnetischen Elektroden und der magnetischen Vorzugsrichtung des antiferromagnetischen alpha-FeGe2, die durch den sog. Néelvektor beschrieben wird, diskutiert. / The rapid progress in the development of new 2D materials have also enriched spintronic research in recent years, thanks to their versatile physical properties and flexibility with regard to the design of heterostructures. The prominent examples graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs) have the prospect to represent the basis of future spintronic applications, in particular due to their tunability and multifunctionality. The recently discovered metastable layered material alpha-FeGe2 is a potential candidate for being added to this class of materials. In this work, the electrical and magnetic properties of alpha-FeGe2 are studied, based on results from electrical transport measurements at different external magnetic fields and temperatures. For the investigation of magnetoresistive effects, spin valve devices containing alpha-FeGe2 as a spacer layer between two metallic ferromagnets have been utilized. It is shown that alpha-FeGe2 exhibits a thickens dependent critical temperature around 100 K at which it undergoes a magnetic phase transition from an antiferromagnetic state at T > 100 K to a ferromagnetic state at T < 100 K. This phase transition is also predicted by density functional theory (DFT) calculations and reflected in a disappearing spin valve signal at low temperatures. It is demonstrated that the magnetic phase of the alpha-FeGe2 spacer strongly influences the performance of spin valves, particularly via the impact on the magnetic interlayer coupling between the ferromagnetic electrodes made of Fe3Si or Co2FeSi. The magnetic coupling at the interface between antiferromagnetic alpha-FeGe2 and Fe3Si was found to induce anisotropies in the spin valve signal with regard to the external magnetic field orientation. This anisotropy is explained in terms of a complex interplay between the misalignment between the ferromagnetic electrodes and the magnetically preferred direction of the antiferromagentic alpha-FeGe2 described by the Néel vector.

Die optischen Eigenschaften von Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDC) werden durch Exzitonen (exc) dominiert, was auf den Quanteneinschluss und die reduzierte Abschirmung zurückzuführen ist, die für ihre 2D-Natur charakteristisch sind. Das Coulomb-Screening spielt eine grundlegende Rolle bei der Bestimmung der stationären und dynamischen Eigenschaften solcher Materialien. Zeitaufgelöste optische Spektroskopie ist ein grundlegendes Instrument, um die Rolle der Abschirmung in der Nicht-Gleichgewichtsphysik von TMDC zu untersuchen. Ich untersuche WS2-Monoschichten auf verschiedenen Substraten mit zeitaufgelöstem Transmissions-/Reflexionskontrast. Ich stelle einen Formalismus vor, der einen zuverlässigen Vergleich der dynamischen Reaktion der Exzitonen unabhängig von Probe, Substrat und Messtechnik ermöglicht. Mit diesem Formalismus werden die von der Pump-Photonen-Energie und der Fluenz abhängige Verschiebung und Verbreiterung des Exziton-Peaks extrahiert und mit Hilfe eines Zwei-/Drei-Niveau-Modells reproduziert. Mit Hilfe dieses Modells konnte die Konkurrenz zwischen dynamischer Abschirmung der Quasiteilchen, Streuung und thermischen Effekten entschlüsselt werden. Die Verbreiterung wird durch QFC-exc (exc-exc) Streuung bestimmt, wenn QFC (exc) im System vorhanden sind. Darüber hinaus induzieren QFC (exc) eine globale Rot-(Blau-)Verschiebung der Exzitonenresonanz, die mit einer effektiven QFC (exc) dynamischen, abschirmungsinduzierten Renormalisierung der Bandlücke (Verringerung der Bindungsenergie) reproduziert wird. Schließlich wird der Einfluss der statischen Abschirmung auf die Reaktion der Exzitonen untersucht. Die dynamische exc-Abschirmung ist bei höherer Substratpermittivität verstärkt und wird versuchsweise auf einen höheren Grad der Delokalisierung des Exzitons zurückgeführt. Letztlich trägt diese Arbeit zu einem umfassenden Bild der Nicht-Gleichgewichtsdynamik und der Rolle der Abschirmung in TMDC bei. / The optical properties of transition metal dichalcogenides (TMDC) are dominated by excitons, due to quantum confinement and reduced screening characteristic of their 2D nature. Exactly the screening of the Coulomb interaction has a fundamental role in determining the steady-state and dynamic properties of such materials. Time-resolved optical spectroscopies are a fundamental tool to investigate the phenomena governing the non-equilibrium physics of TMDC materials. Nevertheless, the quantitative role of the screening in the non-equilibrium response of the TMDC is yet to be understood. I investigate monolayers WS2 placed on various substrates with time-resolved transmittance/reflectance contrast. I report a formalism that allows the reliable comparison of the exciton dynamic response independently of sample, substrate and measurement technique. With this formalism, the pump-photon energy and fluence-dependent exciton peak shift and broadening are extracted and reproduced using a basic two/three-level model. Through this model the competition of quasiparticle dynamic screening, scattering and thermal effects was unravelled. The broadening is governed by QFC-exciton (exciton-exciton) scattering when QFC (excitons) are present in the system. Furthermore, QFC (excitons) induce a global red-(blue-)shift of the exciton resonance, reproduced with an effective QFC (excitons) dynamic screening-induced bandgap renormalization (binding energy reduction). Finally, the static screening influence on the non-equilibrium exciton response is addressed. Scattering and QFC dynamic screening are unaffected in different dielectric environments. On the contrary, the exciton dynamic screening is enhanced for higher substrate permittivity and possibly due to a higher degree of delocalization of the exciton. Ultimately, this thesis contributes to a comprehensive picture of the non-equilibrium dynamics and the role of screening in TMDC.

Graphene, a single layer of carbon atoms, exhibits unique electronic properties and successfully acts as a pioneer in the field of two-dimensional material systems. Reliable and scalable synthesis methods as well as understanding of the underlying processes are essential to fully exploit the potential of these materials. Apart from that, due to the two-dimensional nature of these systems, the interaction with a substrate surface easily affects their properties and simultaneously allows to manipulate them. This thesis presents a detailed study of graphene layers grown by polymer-assisted sublimation growth on different SiC polytypes. Different surface terminations of the hexagonal 4H and 6H SiC polytype alter the electronic properties of the graphene layer. This also shows up as differences in the electron reflectivity, for which possible explanations are discussed, e.g. the influence of the spontaneous polarization of the hexagonal polytypes. Dislocations and stacking domains in epitaxial monolayer and bilayer graphene are identified by means of darkfield microscopy and point towards strain between the successive layers. In monolayer graphene, thin dislocation lines indicate uniaxial strain, while larger, triangular stacking domains in bilayer graphene are the result of isotropic strain between the two graphene layers. Epitaxial monolayer graphene is transformed into quasi-freestanding bilayer graphene by hydrogen intercalation, which alters the strain between the layers such that the typical bilayer stacking domains emerge. Graphene grown by chemical vapor deposition frequently shows a wrinkled surface, which can be attributed to the formation of surface facets. The structure of these facets is imprinted in the graphene layers, which maintain this structure even after the transfer onto an epitaxial buffer layer. The surface restructuring of the growth substrate is driven by the graphene formation itself as the surface facets undergo a step bunching with increasing graphene coverage. In bilayer graphene stacking domains are observed which differ systematically from the domains found in epitaxial bilayer graphene. The underlying strain in the layers strongly correlates with the faceting of the substrate such that the stacking order changes in the vicinity of the inclined surface facets. Just like the surface facets, the stacking domains are robust during the transfer on a target substrate and can be observed on the epitaxial buffer layer. The results of this studies underline the importance of the interaction with the substrate in order to understand the properties of graphene and many related two-dimensional materials. Understanding these interactions enables the manipulation of material’s properties, e.g. the stacking order of heterostructures.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Siliziumkarbid 5 2.2 Graphen 9 2.3 Wachstum von epitaktischem Graphen auf SiC 14 2.4 Chemische Gasphasenabscheidung von Graphen auf Metallsubstraten 18 3 Experimentelle Methoden 19 3.1 Photoelektronenspektroskopie 19 3.2 Niederenergie-Elektronenmikroskopie 30 3.2.1 Das Instrument 30 3.2.2 Kontrastentstehung 33 3.2.3 Messmodi 38 3.3 Rasterkraftmikroskopie 43 3.4 Elektronenstrahlverdampfer 45 4 Polymerunterstütztes Sublimationswachstum auf SiC(0001) 47 4.1 Untersuchungen zur Optimierung des PASG-Prozesses 47 4.2 Stapeldomänen und Versetzungslinien in PASG-Graphen 59 4.3 Präparation von n-typ und p-typ Graphenstreifen 68 4.4 Zusammenfassung 81 5 Graphen auf inäquivalenten Siliziumkarbid-Terminierungen 83 5.1 Step-flow Model mit minimaler Stufenhöhe 83 5.2 Identifikation der Stapelterminierung 88 5.3 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 6H-SiC 93 5.4 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 4H-SiC 106 5.5 Zusammenfassung 110 6 Graphen auf Kupferfolie und Transfer auf eine Pufferschicht 113 6.1 Graphen auf poly-kristalliner Kupferfolie 113 6.2 Graphen auf Cu(111) 115 6.3 Facettierung der Kupferoberfläche 121 6.4 Identifikation von Domänen unterschiedlicher Stapelfolge 126 6.5 Transfer auf eine epitaktische Pufferschicht 128 6.6 Zusammenfassung 133 7 Untersuchungen zur Abscheidung von Nickel auf epitaktischem Graphen 135 7.1 Wachstumsverhalten dünner Schichten 135 7.2 Das Wachstum auf Graphen und Pufferschicht 137 7.3 Temperatureinfluss auf das Wachstum 141 7.4 Kornvergrößerung der Nickelcluster 145 7.5 Zusammenfassung 150 8 Zusammenfassung 153 9 Anhang 157 9.1 Labor-Anleitung zum PASG-Prozess 157 9.2 Auswertung der am LEEM generierten ARPES-Daten 159 10 Literaturverzeichnis 165 11 Danksagung 175 12 Publikationsliste 181 13 Konferenzbeiträge 183 / Graphen ist eine monoatomar dünne Kohlenstoffschicht mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften, die erfolgreich als Modellsystem für vielseitige Pionierarbeit auf dem Forschungsgebiet zweidimensionaler Materialien dient. Hierbei sind zuverlässige, skalierbare Herstellungsmethoden und das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen essentiell, um das Potential dieser Materialien vollumfänglich ausschöpfen zu können. Darüber hinaus liegt es in ihrer zweidimensionalen Natur, dass durch die Wechselwirkung mit den verwendeten Substratoberflächen die Eigenschaften der dünnen Materialien entscheidend beeinflusst werden und somit manipuliert werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine umfassende Charakterisierung von Graphenschichten, die mittels polymerunterstützter Sublimationsepitaxie auf verschiedenen SiC-Kristallen hergestellt wurden. Es wird gezeigt, dass verschiedene Terminierungen der hexagonalen Polytypen 4H und 6H des SiC-Substrats das Graphen in seinen elektronischen Eigenschaften verändern. Dies äußert sich durch Unterschiede in der Elektronenreflektivität, für die verschiedene Ursachen, wie der Einfluss der spontanen Polarisation der hexagonalen Polytypen, diskutiert werden. Versetzungen und Stapeldomänen in Monolagen- und Bilagen-Graphen auf SiC werden durch Dunkelfeldmikroskopie identifiziert und weisen auf Verspannungen zwischen den Schichten hin. Während auf Monolagen-Graphen schmale Versetzungslinien auf uniaxiale Verspannung hinweisen, deuten größere, dreieckige Domänen in Bilagen-Graphen auf isotrope Verspannung zwischen zwei Graphenlagen hin. Durch die Interkalation von Wasserstoff kann Monolagen-Graphen in quasifreistehendes Bilagen-Graphen umgewandelt werden, wodurch sich die Verspannung verändert und die für Bilagen-Graphen typischen Stapeldomänen gebildet werden. Graphen, das durch chemische Gasphasenabscheidung auf Kupfer hergestellt wird, zeigt häufig eine faltige Oberfläche, die auf Facetten der Substratoberfläche zurückzuführen ist, und auch nach dem Transfer auf eine durch Sublimationsepitaxie hergestellte Pufferschicht vorhanden ist. Das Graphenwachstum selbst fördert die Restrukturierung der Substratoberfläche zu Facetten, sodass mit steigender Schichtdicke eine Art Stufenbündelung benachbarter Facetten zu beobachten ist. Bilagen-Graphen zeigt auch hier Stapeldomänen, die sich jedoch deutlich von den Domänen in epitaktischem Graphen unterscheiden. Die zugrundliegende Verspannung hängt hier stark mit der Facettierung der Substratoberfläche zusammen, wodurch sich die Stapelfolge in der Nähe der inklinierten Flächen des Substrats ändert. Die Stapeldomänen sind, wie die Falten im Graphen, ausreichend stabil, um auch nach dem Transfer auf ein Zielsubstrat beobachtet zu werden. Die Ergebnisse der Arbeiten unterstreichen, dass die Wechselwirkung mit dem Substrat einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Graphen und damit weiterer zweidimensionaler Materialien leistet und damit die Möglichkeit eröffnet, die Eigenschaften wie beispielsweise die Stapelfolge der Materialien in Heterostrukturen gezielt zu beeinflussen.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Siliziumkarbid 5 2.2 Graphen 9 2.3 Wachstum von epitaktischem Graphen auf SiC 14 2.4 Chemische Gasphasenabscheidung von Graphen auf Metallsubstraten 18 3 Experimentelle Methoden 19 3.1 Photoelektronenspektroskopie 19 3.2 Niederenergie-Elektronenmikroskopie 30 3.2.1 Das Instrument 30 3.2.2 Kontrastentstehung 33 3.2.3 Messmodi 38 3.3 Rasterkraftmikroskopie 43 3.4 Elektronenstrahlverdampfer 45 4 Polymerunterstütztes Sublimationswachstum auf SiC(0001) 47 4.1 Untersuchungen zur Optimierung des PASG-Prozesses 47 4.2 Stapeldomänen und Versetzungslinien in PASG-Graphen 59 4.3 Präparation von n-typ und p-typ Graphenstreifen 68 4.4 Zusammenfassung 81 5 Graphen auf inäquivalenten Siliziumkarbid-Terminierungen 83 5.1 Step-flow Model mit minimaler Stufenhöhe 83 5.2 Identifikation der Stapelterminierung 88 5.3 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 6H-SiC 93 5.4 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 4H-SiC 106 5.5 Zusammenfassung 110 6 Graphen auf Kupferfolie und Transfer auf eine Pufferschicht 113 6.1 Graphen auf poly-kristalliner Kupferfolie 113 6.2 Graphen auf Cu(111) 115 6.3 Facettierung der Kupferoberfläche 121 6.4 Identifikation von Domänen unterschiedlicher Stapelfolge 126 6.5 Transfer auf eine epitaktische Pufferschicht 128 6.6 Zusammenfassung 133 7 Untersuchungen zur Abscheidung von Nickel auf epitaktischem Graphen 135 7.1 Wachstumsverhalten dünner Schichten 135 7.2 Das Wachstum auf Graphen und Pufferschicht 137 7.3 Temperatureinfluss auf das Wachstum 141 7.4 Kornvergrößerung der Nickelcluster 145 7.5 Zusammenfassung 150 8 Zusammenfassung 153 9 Anhang 157 9.1 Labor-Anleitung zum PASG-Prozess 157 9.2 Auswertung der am LEEM generierten ARPES-Daten 159 10 Literaturverzeichnis 165 11 Danksagung 175 12 Publikationsliste 181 13 Konferenzbeiträge 183

The prediction of fracture is of utmost importance regarding the design of modern, specifically tailored engineering materials. These materials are often heterogeneous, \ie their properties vary in space. This can either be achieved purposefully by combining two or more constituents to profit from a more resilient composite material, or happen due to unavoidable imperfections. In any case, purely experimental assessment of failure is tedious and circuitous as soon as the structure of interest gets more complex, and the involvement of numerical models is inevitable. In this work, the phase-field approach to fracture is applied which is able to capture manifold crack phenomena inherently and sidesteps the need for remeshing by describing the crack as a continuous field. The phase-field model is extended to a fully diffuse incorporation of heterogeneities: A static order parameter smoothly transitions from one to the other bulk material constituent, while the weak, brittle interface is incorporated via a continuous fracture toughness distribution. The sharp interface jump conditions still hold for the diffuse representation since a partial rank-1 relaxation is employed in accordance with the unilateral contact condition of the phase-field model. Moreover, a compensation procedure ensures the independence of the interface fracture toughness from interface and phase-field length scales. The model is validated by a comparison to analytical results and the predictive power is demonstrated by the deduction of direction-dependent, effective fracture properties of heterogeneous microstructures. / Die Vorhersage des Bruchverhaltens ist für die Entwicklung moderner, speziell zugeschnittener technischer Werkstoffe von größter Bedeutung. Diese Materialien sind oft heterogen, d.h. ihre Eigenschaften variieren im Raum. Dies kann entweder absichtlich durch die Kombination zweier oder mehrerer Bestandteile erreicht werden, um von einem widerstandsfähigeren Verbundwerkstoff zu profitieren, oder durch unvermeidbare Imperfektionen geschehen. In jedem Fall ist eine rein experimentelle Versagensbewertung komplexer Strukturen mühsam und umständlich, und die Nutzung numerischer Modelle unvermeidlich. In dieser Arbeit werden Brüche mittels Phasenfeldmethode modelliert, wodurch vielfältige Rissphänomene erfasst werden können und die Notwendigkeit einer Neuvernetzung durch die Beschreibung des Risses als kontinuierliches Feld entfällt. Das Phasenfeldmodell wird um eine vollständig diffuse Einbindung von Heterogenitäten erweitert: Ein statischer Orderparameter beschreibt den glatten Übergang zwischen zwei Bestandteilen des Materials, während die geschwächte, spröde Grenzfläche durch eine kontinuierliche Bruchzähigkeitsverteilung eingebunden wird. Die scharfen Grenzflächensprungbedingungen gelten auch für die diffuse Darstellung, da eine partielle Rang-1 Relaxation in Übereinstimmung mit der unilateralen Rissflächenkontaktbedingung genutzt wird. Darüber hinaus gewährleistet ein Kompensationsverfahren die Unabhängigkeit der Grenzflächenbruchzähigkeit von inhärenten Längenskalen der Grenzfläche und des Rissphasenfelds. Das Modell wird durch einen Vergleich mit analytischen Ergebnissen validiert und die Vorhersagekraft wird durch die Ableitung richtungsabhängiger, effektiver Brucheigenschaften heterogener Mikrostrukturen demonstriert.

Reaction of BiPh3 or Bi(OtBu)3 with benzohydroxamic acid (H2-BHA) results in formation of novel mono- and di-anionic hydroxamato complexes; [Bi2(BHA)3]∞1, [Bi(H-BHA)3] 2, [Bi(BHA)(H-BHA)] 3, all of which display nM activity against Helicobacter pylori. Subsequent dissolution of [Bi2(BHA)3]∞ in DMSO/toluene results in hydrolysis to the first structurally authenticated {Bi34} oxido-cluster [Bi34O22(BHA)22(H-BHA)14(DMSO)6] 4. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Poröse Kohlenstoffe stellen aufgrund ihrer hohen chemischen und physikalischen Belastbarkeit, hohen spezifischen Oberfläche und einstellbaren Porengrößen eine wichtige Materialklasse in der chemischen Industrie dar. Dabei finden Kohlenstoffe sowohl in der Katalyse, in Adsorptions- und Separationsprozessen und in der Abwasserbehandlung, wie auch in elektrochemischen Energiespeichern Anwendung. In all diesen Applikationen ist eine hohe spezifische Oberfläche des Materials, welche durch das Vorhandensein von Mikroporen erreicht wird, essentiell für eine gute Performance. Rein mikroporöse Systeme weisen allerdings aufgrund der sehr langsamen Diffusion in den kleinen Poren große Probleme im Stofftransport auf, welche zu erheblichem Druckverlust, Verlust an Kapazität und Selektivitätsänderungen führen können. In vielen Anwendungen ist daher die Kombination einer hohen spezifischen Oberfläche und eines guten Stofftransports unabdingbar, woraus das besondere Interesse an der Synthese von hierarchisch strukturierten Kohlenstoffen mit einem hohen Mikroporenanteil für eine hohe spezifische Oberfläche und großen Transportporen (Meso- und/oder Makroporen) resultiert. Carbidabgeleitete Kohlenstoffe (carbide-derived carbons - CDC) [1, 2], welche einen vorrangig mikroporösen Charakter besitzen, werden durch selektive Ätzung von Metall- oder Halbmetallatome aus Carbiden dargestellt. Die Einführung von Transportporen erfolgt über verschiedene Templatverfahren, wobei synthetische Template meist sehr aufwendig und teuer synthetisiert werden müssen. Aufgrund des hohen synthetischen, finanziellen und materiellen Aufwandes sind daher nur Synthesen im kleinen Maßstab möglich, welche den breiten Einsatz in verschiedenen Anwendungsfeldern stark limitieren. Dem gegenüber stehen Biotemplate, welche sich durch ihre hohe Verfügbarkeit, ihre Nachhaltigkeit und ihre geringen Kosten, welche bis zu 3000-fach [3-6] geringer als synthetische Template sind, auszeichnen. Zudem besitzt Holz als Bio-Templat eine über Jahrmillionen auf Stofftransport optimierte Struktur, welche Holz zu einem vielversprechenden Templat für die Synthese hierarchischer Kohlenstoffe nicht nur aus ökologischer und ökonomischer, sondern vor allem auch aus wissenschaftlicher Sicht macht. Über die Verknüpfung des CDC-Prozesses mit Holz als Bio-Templat können so hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien mit hohen Oberflächen und einem guten Transportsystem synthetisiert werden, welche die Möglichkeit zum Einsatz in einem breiten Anwendungsbereich bieten. Durch einen einfachen Zwei-Stufen-Prozess bestehend aus Imprägnierung eines flüssigen SiC-Präkursors und anschließender Hochtemperturchlorierung (Abbildung 1) war es möglich, hierarchisch strukturierte Kohlenstoffe unter Erhalt der typischen Holzmikrostruktur mit großen Transportporen und zusätzlichem mikoporösem Charakter, durch den eingebrachten CDC-Kohlenstoff, zu synthetisieren. Die Porengrößen und -verteilung sind dabei stark von der Holzart, der Chlorierungstemperatur und den Parametern des Imprägnierprozesses abhängig. Es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen eingebrachter Siliziumcarbidmenge und der spezifischen Oberfläche des resultierenden Kohlenstoffmaterials ermittelt werden, welcher ein gezieltes Design der Holz-CDC-Materialien in Bezug auf Oberfläche und Porenvolumen/-größe ermöglicht. Neben der makroporösen Zellstruktur des Holzes konnte zudem die makroskopische Form während des gesamten Prozesses vollständig erhalten werden, welches die gezielte Synthese von Formkörpern, wie Monolithen, ermöglicht. Die Synthese von Holz-CDC-Materialien bietet daher einen großen ökonomischen Vorteil gegenüber herkömmlichen Kohlenstoffsynthesen, in denen meist pulverförmige Produkte entstehen, welche dann zur Nutzung in verschiedenen Anwendungen durch Presswerkzeuge oder den Zusatz von Bindermaterialien in Formkörper gebracht werden müssen. Zur weiteren Steigerung der Oberfläche und des Porenvolumens wurden Voraktivierungen am Holztemplat durchgeführt. Hierbei wurden sowohl physikalische Aktivierungsmethoden mit Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid, wie auch chemische Aktivierungsmethoden mit Säuren und Basen untersucht. Über den Aktivierungsprozess wurde eine zusätzliche Porosität in die Holzmatrix eingebracht, wodurch nach anschließendem Imprägnierprozess und Hoch-temperaturhalogenierung Holz-CDC-Materialien mit trimodalem Porensystem bestehend aus Mikro-, Meso- und Makroporen mit Oberflächen von bis zu 1800 m^2/g und Porenvolumina bis zu 1,0 cm^3/g erzielt werden konnten. Aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit, hohen Oberfläche und porösen Eigenschaften stellen Kohlenstoffe interessante Kathodenmaterialien für die Lithiumschwefelbatterie dar. Trotz intensiver Forschungen in den letzten 10 Jahren konnten die Herausforderungen einer hohen Zyklenstabilität, Ratenstabilität und Zellkapazität, sowie geringer Elektrolytmengen bis heute nicht zufriedenstellend gelöst werden. Hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien, welche „Reaktions- und Transportporen“ besitzen, stellten sich als vorteilhaftes Kathodenmaterial heraus. Die longitudinal ausgerichteten Makroporen (Transportporen) der Holz-CDCs ermöglichen einen schnellen Ionentransport, welcher auch bei hohen Lade- und Entladeraten stabile Kapazitäten ermöglicht. Dem gegenüber setzen die Mikroporen (Reakionsporen) die Löslichkeit der Polysulfide herab, welches eine gute Ratenstabilität über 100 Zyklen zur Folge hat. Es konnten mit den synthetisierten Holz-CDC-Materialien stabile Kapazitäten über 580 mAh/gSchwefel mit hohen Stromdichten von 20 mA/cm^2 (2C) und sehr geringen Elektrolytmengen von nur 6,8 µl/mgSchwefel erzielt werden. Diese Daten zeigen eine deutliche Verbesserung zu den in der Literatur bisher veröffentlichten Werten [3,7]. Neben dem Einbringen einer zusätzlichen Porosität werden durch den chemischen Aktivierungsprozess Oberflächenfunktionalitäten an der Kohle gebildet. Diese Oberflächen-funktionalitäten können vor allem in der Adsorption von polaren Verbindungen essentiell für eine hohe Adsorptionskapazität sein. Quecksilber stellt ein giftiges Element dar, welches anthropogen durch die Kohleindustrie jährlich mit ca. 4000 t freigesetzt wird. Die Entfernung von Quecksilber aus Industrieabgasen erfolgt über dessen Lösung in Wasser und anschließende adsorptive Prozesse, wobei Kohle als Adsorbens Einsatz findet. Untersuchungen der Holz-CDC-Materialien zeigten hohe Quecksilber-Adsorptionskapazitäten von 242 mgHg/gKohle. Gegenüber herkömmlichen kommerziellen Aktivkohlen [8] mit 12 mg/g und neuartigen Aktivkohlen auf Bio-Basis [8] mit 150 mg/g, zeigen die untersuchten Holz-CDC-Materialien 1,5- bis 200-fach höhere Aufnahmekapazitäten. Bei diesen ersten proof-of-principle-Untersuchungen konnte das hohe Potential holzbasierter CDC-Materialien für die Anwendung in Adsorptionsprozessen gezeigt werden, welches eine deutliche Steigerung der Kapazität durch weitere zukünftige Optimierungen des Materials verspricht. Holz kann ebenfalls Anwendung zur Synthese hochporöser Kohlenstoffstäbchen finden. Hierbei wird die Holzstruktur vollständig mit Siliziumcarbid gefüllt. Nach der anschließenden Entfernung des Holztemplates über Calcination bleibt die Negativstruktur des Holzgerüstes als stäbchenförmige Strukturen erhalten. Durch nachfolgende Reinigung und Hochtemperatur-chlorierung können die SiC-Stäbchen in rein mikroporöse CDC-Stäbchen umgewandelt werden, welche sehr hohe spezifische Oberflächen von bis zu 3680 m^2/g und Porenvolumina von bis zu 1,6 cm^3/g besitzen. Aufgrund ihres unpolaren Charakters und der hohen spezifischen Oberfläche sind diese Strukturen besonders für die Adsorption von aromatischen, gering bzw. nicht polaren Verbindungen geeignet. Das adsorptive Verhalten der Stäbchenstrukturen wurde bei der Adsorption von Methylenblau, einer in der Literatur häufig verwendeten Beispielsubstanz für die Adsorption voluminöser aromatischer Verbindungen, und von Diclofenac untersucht. Diclofenac ist ein Schmerzmittel, welches vor allem bei Rheuma eingesetzt wird und mit ca. 63 t/Jahr in Deutschlands Wassersysteme eingetragen wird. Die schlechte Abbaubarkeit und die unzureichende Entfernung von Diclofenac über herkömmliche Abwasseraufbereitungsanlagen haben in den letzten Jahren zu einer deutlichen Anreicherung des Medikamentes in der Umwelt geführt. Die Entfernung von Diclofenac hat, neben der Entfernung anderer aromatischer Medikamente, wie Ibuprofen und Carbamazepin, in den letzten 10 Jahren daher deutlich an Bedeutung gewonnen. CDC-Stäbchen zeigen im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenstoffen, wie Printex oder Hydraffin P800, fast doppelt so hohe Aufnahmekapazitäten für Methylenblau unter ähnlich schnell ablaufender Adsorptionkinetik. Auch Diclofenac kann an den CDC-Stäbchen mit 580 mg/g deutlich besser adsorbieren als an Hydraffin P800, welche eine Kapazität von 490 mg/g zeigt. Bedenkt man, dass es sich bei Hydraffin P800 (Firma: Donau Carbon) um eine für die Adsorption von organischen Wasserschadstoffen optimierte Aktivkohle handelt, wird das hohe Potential der unoptimierten CDC-Stäbchen deutlich. [1] V. Presser, M. Heon, Y. Gogotsi, Adv. Funct. Mat., 2011, 21, 810. [2] L. Borchardt, M. Oschatz, S. Kaskel, Materials horizon , 2014, 1, 157. [3] C. Hoffmann, S. Thieme, J. Brückner, M. Oschatz, T. Biemelt, G. Mondin, H. Althues, S. Kaskel, ACS Nano, 2014, 8, 12, 12130. [4] M. Oschatz, L. Borchardt, M. Thommes, K.A. Cychosz, I. Senkovska, N. Klein, R. Frind, M. Leistner, V. Presser, Y. Gogotsi, S. Kaskel, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51 (13), 7577. [5] M. Adam, P. Strubel, L. Borchardt, H. Althues, S. Dörfler, S. Kaskel, Journal of Materials Chemistry A, 2015, accepted, DOI: 10.1039/C5TA06782K [6] M. Adam, M. Oschatz, W. Nickel, S. Kaskel, Micro. Meso. Mater., 2015, 210, 26. [7] Z. Wei Seh, W. Li, J. J. Cha, G. Zheng, Y. Yang, M. T. McDowell, P.-C. Hsu , Y. Cui , Nat. Commun., 2013, 4 , 1331. [8] M. Zahibi., A. Ahmadpour, A. Haghighi Asl, J. Hazard. Mater., 2009, 167, 230.

Die geordneten mesoporösen Silikamaterialien SBA-15 und MCM-41 zeichnen sich durch lange zylindrische Poren aus, die auf einem 2D-hexagonalen Gitter arrangiert sind. Auf Grund dieser Eigenschaften finden sie vielfach Anwendung in der Industrie, bieten jedoch auch die Möglichkeit Sorptionsvorgänge und die dadurch induzierten Verformungen auf der Nanometerebene zu untersuchen. Dazu werden im ersten Teil dieser Arbeit Kleinwinkelröntgenstreuungsdaten mit Hilfe eines Formfaktormodells angefittet, um die Adsorption von Fluid in den Poren in Abhängigkeit vom Dampfdruck nachvollziehen zu können. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Gittermodell eingeführt, welches die Vorgänge während der Sorption mit Hilfe heuristischer Füllmechanismen reproduziert und im Abgleich mit experimentellen Daten Auskunft über die Verteilung der Porosität auf Mikro- und Mesoporen in SBA-15 gibt. Weiterhin wird der Einfluss der begrenzten Geometrie auf die Selbstassemblierung von Tensiden in SBA-15 untersucht. Hierzu werden Neutronenstreudaten durch die Kombination eines Formfaktormodells für die Bragg-Streuung und des Teubner-Strey-Modells für die diffuse Streuung modelliert und interpretiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den elastischen Verformungen der mesoporösen Materialien durch die Fluidsorption. Dazu wird eine Molekulardynamik-Simulation eines Lennard-Jones-Fluids in einer Schlitzpore vorgestellt, um den Ursprung dieser Verformungen auf der mikroskopischen Ebene zu untersuchen. Diese Ergebnisse fließen anschließend in ein makroskopisches Modell eines ganzen Kristalliten des mesoporösen Materials ein, wodurch ein einfaches Multiskalenmodell entsteht. Die makroskopische Ebene wird dabei durch eine Finite-Elemente-Simulation beschrieben, die im Abgleich mit experimentellen Daten weitere Aussagen über die elastischen Eigenschaften des Materials erlaubt. / The ordered mesoporous silica materials SBA-15 and MCM-41 consist of long cylindrical pores arranged on a 2D-hexagonal lattice. Due to these features, they are used for a range of industrial applications but provide also a possibility to study sorption processes and sorption-induced deformations on the nanoscale. In the first part of this work small-angle X-ray scattering data are fitted with a form factor model in order to examine fluid adsorption in the pores. Based on these results a lattice model is introduced which reproduces the sorption process using heuristic filling mechanisms and clarifies how the porosity of SBA-15 is composed out of micro- and mesopores. Furthermore, the influence of the confined geometry on the self-assembly of surfactants in SBA-15 is studied. For this, neutron scattering data are modeled and interpreted by the combination of a form factor model for the Bragg scattering and the Teubner-Strey model for the diffuse scattering. The second part of this work focuses on the elastic deformations caused by fluid sorption in the mesoporous materials. A Molecular Dynamics simulation of a Lennard-Jones fluid in a slit-pore is presented in order to reveal the origin of these deformations on the microscopic scale. These results are subsequently implemented into a macroscopic model of whole crystallite, thereby creating a simple multi-scale model. The macroscopic scale is modeled with a Finite Elements simulation, which by comparison with experimental data delivers further insights into the elastic properties of the material.

Poröse Materialien sind von großer Bedeutung in verschiedenen Anwendungsbereichen und sind weit verbreitet sowohl in natürlicher oder technischer Herkunft. Ihre Eigenschaften werden in hohem Maße von der Struktur des Porenraumes bestimmt, die durch quantitative Parameter wie Porosität oder Porengrößenverteilung beschrieben werden kann. Für die Untersuchung poröser Materialien stehen verschiedene indirekte Porosimetrieverfahren zur Verfügung, die jedoch bei sehr großen Poren in der Größenordnung oberhalb von 10 um nur eingeschränkt anwendbar sind. Aus diesem Grund war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Verfahrens zur direkten Charakterisierung großporiger Werkstoffe. Dabei sollte die NMR- Mikroskopie zur dreidimensionalen Abbildung des Porensystems verwendet werden und mit einer anschließenden Bildverarbeitung quantitative Parameter wie die Porengrößenverteilung ermittelt werden. Für die experimentellen Untersuchungen wurden zwei unterschiedliche Filtermaterialien ausgewählt, die Porengrößen oberhalb von 10 µm aufwiesen. Für die NMR-mikroskopische Abbildung des Porenraumes wurden die Materialien mit unterschiedlichen Intrusionsflüssigkeiten gefüllt, wobei dest. Wasser, Octamethylcyclotetrasiloxan und Dimethylsulfoxid verwendet wurden. Die NMR-mikroskopische Abbildung des Porenraumes erfolgte anhand der Protonen der verwendeten Intrusionsflüssigkeit, wobei eine 3D-Spinechopulssequenz verwendet wurde. Die maximal erreichte räumliche Auflösung lag bei einer Größe der isotropen Voxel von ca. 12 um. Weiterhin wurde von ausgewählten Proben dreidimensionale Aufnahmen mit der Röntgencomputertomographie angefertigt, sowie für einige Proben Messungen mit der Quecksilberporosimetriemessungen durchgeführt. Für die Auswertung der NMR-Mikroskopieaufnahmen wurde auf der Basis der kommerziellen Softwarebibliothek HORUS ein eigenes Bildverarbeitungsprogramm entwickelt. Dieses Programm analysiert schichtweise den 3D-Bilddatenstatz und ermittelt daraus Porengrößenverteilungen und Porenkanäle senkrecht zur Bildebene. Die Ergebnisse der Bildverarbeitung der NMR-Mikroskopieaufnahmen zeigen für die Glasfilterproben gute Übereinstimmungen mit den Herstellerangaben zu den Materialien. Die für die unterschiedlichen Glasfiltersorten ermittelten Porengrößenverteilungen widerspiegeln sowohl in ihren absoluten Werten als auch im Verhältnis zueinander gut die nominellen Porenweiten der ausgewählten Materialien. Die mit der Quecksilberintrusion ermittelten Porengrößenverteilungen zeigen eine Beziehung zu den durch die Bildverarbeitung ermittelten minimalen Weiten der Porenkanäle. Für die untersuchten Polyethylensintermaterialien wurden Porengrößenverteilungen ermittelt, die von den Herstellerangaben abweichen. Untersuchungen mit Quecksilberintrusionsmessungen und Elektronenmikroskopieaufnahmen ergaben ähnliche Resultate und stützten dadurch die NMR-mikroskopisch ermittelten Ergebnisse. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, daß sich die NMR-Mikroskopie in Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitung gut für die quantitative Charakterisierung großporiger nichtmetallischer Systeme eignet. Es wurden entsprechende Bildverarbeitungsroutinen entwickelt und die experimentellen Bedingungen hinsichtlich der Steigerung der räumlichen Auflösung optimiert. / Porous materials are of great importance for many application and are widespread as well in their natural as in their technical occurence. Their properties are determined to a high degree by the structure of the pore space, which can be described quantitativly with parameters like porosity or pore size distribution. There are a number of indirect porosimetry methods for porous materials, however most of them are less suitable for large pores in the range above 10 microns. For this reason it was the purpose of the undertaken investigations to develop a method for the direct characterization of materials with large pores. The intention was to use the nmr microscopy for the three-dimensional imaging of the pore system and to determine quantitative parameters like the pore size distribution with a suitable image processing algorithm. For the experimental investigations two different filter materials were selected, which had pore widths larger than 10 microns. For the nmr microscopy imaging of the pore space the materials were filled with different intrusion fluids using distilled water, octamethylcyclotetrasiloxane, and dimethylsulfoxide. For the nmr microscopy imaging of the pore space the protons of the intrusion fluid were selected, using a three-dimensional spin echo sequence. The highest spatial resolution in the nmr microscopy experiments was at a size of approximately 12 microns for an isotropic voxel. Furthermore for a selected range of glass filter samples three-dimensional images were acquired with X-ray tomography and a number of samples were investigated with mercury porosimetry. For the analysis of the nmr microscopy data an image processing algorithm was programmed basing on the commercial imaging software library HORUS. This program sequentially analyses the slices of the 3D imaging dataset and calculates pore size distributions and extracts pore channels perpendicular to the slice plane. The results of the image processing of the nmr microscopy data show a good agreement with the manufactures specification for the glass filter, regarding the absolute values for the calculated pore size distributions and the relative values for different glass filter materials. The pore size distributions which were determined with mercury porosimetry show a good agreement with the minimal pore channel widths as they were determined from the image processing of the nmr microscopy data. The calculated pore size distributions of the investigated polyethylene sinter materials differed from the manufacturers specification. Investigations with mercury intrusion experiments and electron microscopy images gave similar results thus supporting the results from the nmr microscopy experiments. Within the scope of this work it could be demonstrated, that nmr microscopy in connection with a digital image analysis is very suitable for the quantitative characterization of non-metallic systems with large pores. The necessary image processing algorithms have been developed and the experimental parameters have been optimised in order to maximise the spatial resolution of the nmr microscopy images.

Jahresbericht des Instituts für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden

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