<p>Impressive examples of the generation of hierarchically-patterned, three-dimensional (3-D) structures for the control of light can be found throughout nature. <i>Morpho rhetenor</i> butterflies, for example, possess scales with periodic parallel ridges, each of which consists of a stack of thin (nanoscale) layers (lamellae). The bright blue color of <i>Morpho</i> butterflies has been attributed to controlled scattering of the incident light by the lamellae of the wing scales. Another stunning example is the frustule (microshell) of the <i>Coscinodiscus wailesii</i> diatom, which is capable of focusing red light without possessing a traditional lens morphology. The photonic structures and the optical behaviors of <i>Morpho</i> butterflies and <i>Coscinodiscus wailesii</i> diatoms have been extensively studied. However, no work has been conducted to shift such light manipulation from the visible to the infrared (IR) range via shape-preserving conversion of such biogenic structures. Controlling IR radiation (i.e., heat) utilizing biogenic or biomimetic structures can be of significant utility for the development of energy-harvesting devices. In order to enhance the optical interaction in the IR range, inorganic replicas of biogenic structures comprised of high-refractive-index materials have been generated in this work. Such replicas of <i>Morpho</i> <i>rhetenor</i> scales were fabricated via a combination of sol-gel solution coating, organic pyrolysis, and gas/solid reaction methods. Diatomimetic structures have also been generated via sol-gel coating, gas/solid reaction, and then patterning of pore arrays using focused ion beam (FIB) milling.</p> Throughout the sol-gel solution coating and chemical conversion steps of the processes developed in this study, attention was paid to preserve the starting shapes of the nanopatterned, microscale biogenic or biomimetic structures. Factors affecting such shape preservation included the thicknesses and uniformities of coatings applied to the biogenic or biomimetic templates, nano/microstructural evolution during thermal treatment, and reaction-induced volume changes. A conformal surface sol-gel (SSG) coating process was developed in this work to generate oxide replicas of <i>Morpho rhetenor</i> butterfly scales with precisely-controlled coating thicknesses. The adsorption kinetics and relevant adsorption isotherm of the SSG process were investigated utilizing a quartz crystal microbalance. Analyses of thermodynamic driving forces, rate-limiting kinetic steps, and volume changes associated with various chemical reactions were used to tailor processing parameters for optimized shape preservation.

Amino-functionalized organic–inorganic hybrid materials with a narrow distributed nanostructure of 2–4 nm in size were obtained by means of a template-free and non-aqueous procedure. Simultaneous twin polymerization of novel amino group containing twin monomers with 2,2′-spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasiline] has been applied for this purpose. The amino groups of the organic–inorganic hybrid material are useful for post derivatization. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

<p dir="ltr">Metamaterials are artificially engineered nanoscale systems with a three-dimensional repetitive arrangement of certain components, and present exceptional optical properties for applications in nanophotonics, solar cells, plasmonic devices, and more. Self-assembled oxide-metal vertically aligned nanocomposites (VANs), with metallic phase as nanopillars embedded in the matrix oxide, have been recently proposed as a promising candidate for metamaterial applications. However, precise microstructural control and the structure-property relationships in VANs are still in high demand. Thus, by employing multiple approaches for structural design, this dissertation attempts to investigate the mechanisms of nanostructure evolutions and the corresponding optical responses.</p><p dir="ltr">In this dissertation, the precise control over the nanostructures has been demonstrated through morphology tuning, nanopillar orderings, and strain engineering. Firstly, Au, a well-known plasmonic mediator, has been selected as the metallic phase that forms nanopillars. Based on the previously proposed strain compensation model which describes the basic formation mechanism of VAN morphology, two oxides were then considered: La_0.7Sr_0.3MnO₃(LSMO) and CeO₂. In the first two chapters of this dissertation, LSMO was considered due to its similar lattice (a_LSMO= 3.87 Å, a_Au= 4.08 Å) and its enormous potential in nanoelectronics and spintronics. Deposited on SrTiO₃ (001) substrate through pulsed laser deposition (PLD), LSMO-Au nanocomposites exhibit ideal VAN morphology as well as promising hyperbolic dispersions in response to the incident illuminations. By substrate surface treatment of annealing at 1000°C, and variation of STO substate orientations from (001), to (111) and (110), the improved and tunable in-plan orderings of Au nanopillars have been successfully achieved. In the third chapter, a new oxide-metal VAN system of <a href="" target="_blank">CeO₂</a>-Au (a_CeO2= 5.411 Å, and a_CeO2/= 3.83 Å) has been deposited. The intriguing 45° rotated in-plan epitaxy presents an unexpected update to the strain compensation model, and tuning of Au morphology from nanopillars, nanoantennas, to nanoparticles also shows an effective modulation of the LSPR responses. COMSOL simulations have been exploited to reveal the relationships between Au morphologies and optical responses. In the last chapter, the two VAN systems of LSMO-Au and CeO₂-Au have been combined to form a complex layered VAN thin film. Investigations into the strain states, the nature of complex interfaces, and the according hybrid properties, show dramatic possibilities for further strain engineering. In summary, this dissertation has provided multiple routes for highly tailorable oxide-metal nanocomposite designs. And the two proposed material systems present great potential in optical metamaterial applications including biosensors, photovoltaics, super lenses, and more.</p>

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Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von neuartigen hohlen MoSx-Nanomaterialien mit kontrollierbarer Größe und Form durch die kolloidale Template Methode. Ihre möglichen Anwendungen in wässrigen Energiespeichersystemen, einschließlich Superkondensatoren und Li-Ionen-Batterien (LIBs), wurden untersucht. Im ersten Teil wurde eine neue Nanostruktur aus hohlen Kohlenstoff-MoS2-Kohlenstoff-nanoplättchen erfolgreich durch eine L-Cystein unterstützte hydrothermale Methode unter Verwendung von Gibbsit als Templat und Polydopamin (PDA) als Kohlenstoffvorläufer synthetisiert. Nach dem Kalzinieren und Ätzen des Gibbsit Templates wurden gleichförmige Hohlplättchen erhalten, die aus einer sandwichartigen Anordnung von teilweise graphitischem Kohlenstoff und zweidimensional geschichteten MoS2 Flocken bestehen. Die Plättchen haben eine ausgezeichnete Dispergierbarkeit und Stabilität in Wasser sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit aufgrund des durch die Kalzinierung von Polydopaminbeschichtungen erzeugten Kohlenstoffs gezeigt. Das Material wird dann in einem symmetrischen Superkondensator mit 1 M Li2SO4 als Elektrolyt aufgebracht, der eine spezifische Kapazität von 248 F/g (0.12 F/cm2) bei einer konstanten Stromdichte von 0.1 A/g und eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität über 3000 Zyklen aufweist, was darauf hindeutet, dass hohle Kohlenstoff-MoS2-Kohlenstoffnanoplättchen vielversprechende Materialien als Kandidaten für Superkondensatoren sind. Im zweiten Teil wurde 21 molare LiTFSI, das sogenannte "Wasser-in-Salz" (WIS) Elektrolyt, in Superkondensatoren mit hohlen Kohlenstoffnanoplättchen als Elektrodenmaterial untersucht. Im Vergleich zu dem im ersten Teil verwendeten 1 molaren Li2SO4-Elektrolyten wurden bei dem vorliegenden WIS Elektrolyt signifikante Verbesserungen in einem breiteren und stabilen Potentialfenster festgestellt, das durch die geringere Leitfähigkeit mit dem Gegenstück leicht beeinflusst wird. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde ausgiebig eingesetzt, um einen Einblick in die Reaktionsmechanismen der WIS-Superkondensatoren zu erhalten. Zusätzlich wurde auch der Einfluss der Temperatur auf die elektrochemische Leistung im Temperaturbereich zwischen 15 und 55 °C untersucht, was eine hervorragende spezifische Kapazität von 128 F/g bei dem optimierten Zustand von 55 °C ergab. Die EIS-Messungen deckten die Abnahme der angepassten Widerstände mit der Temperaturerhöhung und umgekehrt auf und beleuchteten direkt die Beziehung zwischen elektrochemischer Leistung und Arbeitstemperatur von Superkondensatoren für zuverlässige praktische Anwendungen. Im dritten Teil wurde MoS3, ein amorphes, kettenförmig strukturiertes Übergangsmetall Trichalcogenid, als vielversprechende Anode in "Wasser-in-Salz" Li-Ionen-Batterien (WIS-LIBs) nachgewiesen. Die in diesem Teil verwendeten hohlen MoS3-Nanosphären wurden mittels einer skalierbaren Säurefällungsmethode bei Raumtemperatur synthetisiert, wobei sphärische Polyelektrolytbürsten (SPB) als Schablonen verwendet wurden. Beim Einsatz in WIS-LIBs mit LiMn2O4 als Kathodenmaterial erreicht das präparierte MoS3 eine hohe spezifische Kapazität von 127 mAh/g bei einer Stromdichte von 0.1 A/g und eine gute Stabilität über 1000 Zyklen sowohl in Knopf- als auch in Pouch-Zellen. Der Arbeitsmechanismus von MoS3 in WIS-LIBs wurde auch durch Ex-situ-Röntgenbeugungsmessungen (XRD) untersucht. Während des Betriebs wird MoS3 während der anfänglichen Li-Ionen-Aufnahme irreversibel in Li2MoO4 umgewandelt und dann allmählich in eine stabilere und reversible LixMoOy-Phase (2≤y≤4)) entlang der Zyklen umgewandelt. Amorphes Li-defizientes Lix-mMoOy/MoOz wird bei der Delithiierung gebildet. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen einfache Ansätze zur Synthese hohler MoSx-Nanomaterialien mit kontrollierbarer Morphologie unter Verwendung einer Template-basierten Methode, die auf die vielversprechende Leistung von MoSx für wässrige Energiespeicheranwendungen zurückzuführen sind. Die elektrochemischen Untersuchungen von hohlen MoSx-Nanomaterialien in wässrigen Elektrolyten geben Einblick in die Reaktionsmechanismen von wässrigen Energiespeichersystemen und treiben die Entwicklung von Metallsulfiden für wässrige Energiespeicheranwendungen voran. / The present thesis focuses on the synthesis of novel hollow MoSx nanomaterials with controllable size and shape through the colloidal template method. Their possible applications in aqueous energy storage systems, including supercapacitors and Li-ion batteries (LIBs), have been studied. In the first part, hollow carbon-MoS2-carbon nanoplates have been successfully synthesized through an L-cysteine-assisted hydrothermal method by using gibbsite as the template and polydopamine (PDA) as the carbon precursor. After calcination and etching of the gibbsite template, uniform hollow platelets, which are made of a sandwich-like assembly of partial graphitic carbon and two-dimensional layered MoS2 flakes, have been obtained. The platelets have shown excellent dispersibility and stability in water, and good electrical conductivity due to carbon coating generated by the calcination of polydopamine. The material is then applied in a symmetric supercapacitor using 1 M Li2SO4 as the electrolyte, which exhibits a specific capacitance of 248 F/g (0.12 F/cm2) at a constant current density of 0.1 A/g and an excellent electrochemical stability over 3000 cycles, suggesting that hollow carbon-MoS2-carbon nanoplates are promising candidate materials for supercapacitors. In the second part, 21 m LiTFSI, so-called “water-in-salt” (WIS) electrolyte, has been studied in supercapacitors with hollow carbon nanoplates as electrode materials. In comparison with 1 M Li2SO4 electrolyte used in the first part, significant improvements on a broader and stable potential window have been revealed in the present WISE, which is slightly influenced by the lower conductivity with the counterpart. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) has been extensively employed to provide an insight look on the formation of solid electrolyte interphase in the WIS-supercapacitors. Additionally, the effect of temperature on the electrochemical performance has also been investigated in the temperature range between 15 and 55 °C, yielding eminent specific capacitance of 128 F/g at the optimized condition of 55 °C. The EIS measurements disclosed the decrease of fitted resistances with the increase of temperature and vise versa, directly illuminating the relationship between electrochemical output and working temperature of supercapacitors for reliable practical applications. In the third part, MoS3, an amorphous chain-like structured transitional metal trichalcogenide, has been demonstrated as a promising anode in the “water-in-salt” Li-ion batteries (WIS-LIBs). Hollow MoS3 nanospheres used in this part have been synthesized via a scalable room-temperature acid precipitation method using spherical polyelectrolyte brushes (SPB) as the template. When applied in WIS-LIBs with LiMn2O4 as the cathode material, the prepared MoS3 achieves a high specific capacity of 127 mAh/g at the current density of 0.1 A/g and good stability over 1000 cycles in both coin cells and pouch cells. The working mechanism of MoS3 in WIS-LIBs has also been studied by ex-situ X-ray diffraction (XRD) measurements. During operation, MoS3 undergoes irreversible conversion to Li2MoO4 during the initial Li ion uptake, and is then gradually converted to a more stable and reversible LixMoOy (2≤y≤4)) phase along cycling. Amorphous Li-deficient Lix-mMoOy/MoOz is formed upon delithiation. The results in the present thesis demonstrate facile approaches for synthesizing hollow MoSx nanomaterials with controllable morphologies using a template-based method, which attribute to the promising performance of MoSx for aqueous energy storage applications. The electrochemical studies of hollow MoSx nanomaterials in aqueous electrolytes provide insight into the reaction mechanisms of aqueous energy storage systems and push forward the development of metal sulfides for aqueous energy storage applications.

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Struktur von Materialien und ihrer Entwicklung unter in situ Bedingungen. Dabei werden nanoskopische Strukturmotive in amorphen, ungeordneten und porösen Festkörpern mit Hilfe von Kleinwinkelstreuungstechniken identifiziert und quantifiziert. Es werden drei verschiedene wissenschaftliche Fragestellungen bezüglich drei unterschiedlicher Materialsystemen diskutiert. Erstens wird die Nanostruktur von Dichtefluktuationen in hydriertem amorphen Silizium (a-Si:H) charakterisiert. In den untersuchten a-Si:H Materialien wurden zwei unterschiedliche in die a-Si:H-Matrix eingebettete Phasen identifiziert und anhand ihrer Streuquerschnitte quantifiziert. Diese neuen Ergebnisse beantworten eine seit 20 Jahren ungelöste Fragestellung über das a Si:H Material. Zweitens wird die Adsorption, Kondensation und Desorption von Xenon (Xe) in den Poren einer mesoporösen Silizium (Si) Membran untersucht. Dabei werden Xe-spezifischen Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Die neuen Ergebnisse führen zu einem detaillierten Verständnis der Physisorption von Xe in porösem Silizium und zeigen deutliche Unterschiede zwischen Porenfüllungs- und Porenentleerungsmechanismen auf. Zuletzt wird die natürliche Alterung (NA) einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Modelllegierung diskutiert. Die Streuexperimente weisen auf das Vorhandensein von Segregationszonen hin und unterstützen die Interpretation dieser Zonen als MgSi-Nanophasen in der Al-Matrix. / The investigation of material structures and their evolution under in situ conditions is the main focus of this work. Thereby, nanostructural motives in amorphous, disordered, and porous solids are identified and quantified using small-angle scattering techniques. Three different scientific questions concerning three different material systems are discussed. First, the nanostructure of density fluctuations in hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is evaluated and quantified. Second, the adsorption, condensation, and desorption of xenon (Xe) confined in the pores of a mesoporous silicon (Si) membrane is studied in situ using Xe-specific characterization methods. Finally, the natural aging (NA) of an aluminum-magnesium-silicon model alloy (Al-0.6Mg-0.8Si) is discussed.

The objective of this study is to examine core-shell type plasmonic metamaterials aimed at the development of materials with unique electromagnetic properties. The building blocks of metamaterials under study consist of gold as a metal component, and silica and precipitated calcium carbonate (PCC) as the dielectric media. The results of this study demonstrate important applications of the core-shells including scattering suppression, airborne obscurants made of fractal gold shells, photomodification of the fractal structure providing windows of transparency, and plasmonics core-shell with a gain shell as an active device. Plasmonic resonances of the metallic shells depend on their nanostructure and geometry of the core, which can be optimized for the broadband extinction. Significant extinction from the visible to mid-infrared makes fractal shells very attractive as bandpass filters and aerosolized obscurants. In contrast to the planar fractal films, where the absorption and reflection equally contribute to the extinction, the shells' extinction is caused mainly by the absorption. This work shows that the Mie scattering resonance of a silica core with 780 nm diameter at 560 nm is suppressed by 75% and only partially substituted by the absorption in the shell so that the total transmission is noticeably increased. Effective medium theory supports our experiments and indicates that light goes mostly through the epsilon-near-zero shell with approximately wavelength independent absorption rate. Broadband extinction in fractal shells allows as well for a laser photoburning of holes in the extinction spectra and consequently windows of transparency in a controlled manner. Au fractal nanostructures grown on PCC flakes provide the highest mass normalized extinction, up to 3 m^2/g, which has been demonstrated in the broad spectral range. In the nanoplasmonic field active devices consist of a Au nanoparticle that acts as a cavity and the dye molecules attached to it via thin silica shell as the active medium. Such kind of devices is considered as a nano-laser or nano-amplifier. The fabricated nanolasers were studied for their photoluminescence kinetic properties. It is shown that the cooperative effects due to the coupling of dye molecules via Au nanoparticle plasmons result in bi-exponential emission decay characteristics in accord with theory predictions. These bi-exponential decays involve a fast superradiant decay, which is followed by a slow subradiant decay. To summarize, this work shows new attractive properties of core-shell nanoparticles. Fractal Au shells on silica cores prove to be a good scattering suppressor and a band pass filter in a broadband spectral range. They can also be used as an obscurant when PCC is used as the core material. Finally, gold nanoparticles coated with silica with dye results in bi-exponential decays.

Ziel dieser Doktorarbeit war es, den Einfluss von verschiedenen Parametern auf die spektroskopischen Eigenschaften von Lanthanid-basierten Aufkonversions-Materialien zu erforschen. Ein besonderer Fokus lag dabei auf hexagonalen Natrium-Yttrium-Tetrafluorid Kristallen, die mit dreifachgeladenen Yb und Er oder Tm Ionen kodotiert wurden. Eine wesentliche Voraussetzung für mögliche Anwendungen dieser Kristalle ist ein Verständnis aller ihrer wichtigen photophysikalischen Besonderheiten. Die erste Studie dieser Doktorarbeit untersuchte daher, wieso Nanokristalle viel weniger absorbierte in ausgesendete Photonen umwandeln als mikrokristalline Teilchen. Die Ergebnisse zeigten, dass man ungeschalte Kristalle aufgrund von Oberflächen-Lösch-Effekten in zwei Teile unterteilen kann, einen strahlenden Kern und eine Schale aus stark oder vollständig gelöschten oberflächennahen Lanthanid-Ionen, welche für Kristalle abnehmender Größe einen immer größeren Volumenanteil einnimmt. Die zweite Studie untersuchte exemplarisch, ob eine kompliziertere Partikelarchitektur, bestehend aus einem einfach-dotierten Er Kern und Yb als Schalenmaterial, diesen Effizienzverlust der Lumineszenz reduzieren kann. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Eine weitere Studie untersuchte den Einfluss der Konzentration der Tm Ionen in Yb, Tm kodotierten Nanokristallen auf die spektroskopischen Eigenschaften dieser Materialien und zeigte, dass für eine maximale Emission im Lichtwellenbereich über 700 nm andere Tm Konzentrationen benötigt werden als für maximale Lichtemissionen in den unteren Lichtwellenbereichen. Die letzte Studie untersuchte den Einfluss eines zuvor berichteten Zersetzungsprozesses von exemplarisch ausgewählten Yb, Tm kodotierte Nanokristallen in wässrigen Dispersionen auf deren spektroskopische Eigenschaften. Mithilfe dieser Ergebnisse war es möglich, mehrere Emissionsbanden als Parameter für das Langzeit-Stabilitäts-Monitoring dieser Materialien zu identifizieren. / This PhD thesis investigated the influence of various parameters on the spectroscopic properties of so-called upconversion nanoparticles (UCNPs). A special emphasis was dedicated to hexagonal-phase sodium yttrium tetrafluoride crystals that were codoped with trivalent Yb and either Er or Tm ions. Such UCNPs can, however, experience no breakthrough in the field of UC nanotechnology before all of their important photophysical features are understood. The first study of this PhD thesis therefore investigated, why nanocrystalline upconverters with different surface chemistries convert less absorbed to emitted photons than their microcrystalline counterparts. The results revealed that upconverting crystals apparently have to be subdivided into two parts, with one being the luminescent core and the other being a completely dark shell that is quenched by surface effects and assumes an ever increasing volumetric content for small UCNPs. The second study exemplarily investigated, if a more complex particle nanostructure that consisted of a Er doped core, surrounded by a Yb doped shell, could overcome these efficiency losses, however, it concluded that it does not. Another study explored the influence of Tm doping concentrations of Yb, Tm codoped nanocrystals on their spectroscopic properties and concluded that different Tm doping concentrations are required for a maximum upconversion luminescence in the wavelength regions above 700 nm, than for the wavelength regions below that. The last study of this PhD thesis investigated the influence of a previously reported dissolution process of UCNPs in aqueous solutions on the spectroscopic properties of exemplarily chosen Yb, Tm codoped nanocrystals. These results were then utilized to identify several upconversion emission bands that can be used as a screening parameter for the long-term stability monitoring of UCNPs.