Thin films and nanowires of Co-Pt have been prepared by means of electrodeposition. Composition, structure, microstructure and magnetic properties have been intensively studied using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and vibrating sample magnetometry and correlated to the deposition parameters such as electrolyte composition, deposition current and/or potential. Co rich Co-Pt films have been deposited at various current densities. A nearly constant composition of Co70Pt30 was achieved for current densities between 18 and 32 mA/cm². Detailed texture measurements confirmed an increasing fraction of the hexagonal phase with its c-axis aligned perpendicular to the film plane with increasing current density. Accordingly, magnetic properties are strongly affected by the magnetocrystalline anisotropy of the hexagonal phase that competes with the shape anisotropy of the thin film geometry. Co-Pt nanowires have been prepared within alumina templates at different deposition potentials between -0.6 and -0.9VSCE changing the composition from nearly pure Pt to Co. The composition Co80Pt20 was observed at a deposition potential of -0.7VSCE. Co-Pt nanowires are nanocrystalline in the as-deposited state. Magnetic measurements reveal changing fcc and hcp phase fractions within the wires as the effective anisotropy significantly differs from the expected shape anisotropy for nanowires with high aspect ratio. This change in effective anisotropy is attributed to the preferential alignment of the c-axis of hcp Co-Pt phase perpendicular to the nanowires axis. A promising alternative with much smaller feature sizes is the diblock copolymer template. Electrodeposition of Co and Co-Pt into these templates has been carried out. Inhomogeneities in the template thickness as well as a certain substrate roughness have been identified to be the reasons for inhomogeneous template filling. Thus magnetic properties are dominated by large deposits found on top of the template. Additionally, rolled-up tubes of several nm thick Au/Co/Au films have been characterized magnetically. Temperature dependent measurements show an exchange bias behaviour that is explained in terms of induced stresses during cooling. Changes of magnetic properties in the investigated samples are finally discussed in terms of competing effects of different magnetic anisotropies in various geometries. / Co-Pt Dünnschichten und Nanodrähte wurden mittels elektrochemischer Abscheidung hergestellt. Zusammensetzung, Struktur, Mikrostruktur und magnetische Eigenschaften wurden intensiv mit Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie und Magnetometrie untersucht und mit den Depositionsparametern wie Elektrolytzusammensetzung, Abscheidestrom und/oder-potential korreliert. Co reiche Co-Pt-Filme wurden mit verschiedenen Stromdichten hergestellt. Eine nahezu konstante Zusammensetzung im Bereich Co70Pt30 wurde für Stromdichten zwischen 18 und 32 mA/cm² erreicht. Detaillierte Texturmessungen bestätigen einen zunehmenden Anteil an hexagonaler Phase mit senkrecht zur Filmebene ausgerichteter c-Achse mit zunehmender Stromdichte. Dementsprechend werden die magnetischen Eigenschaften stark von der magnetokristallinen Anisotropie der hexagonalen Phase beeinflusst, die mit der Formanisotropie der Dünnschicht-Geometrie konkurriert. Co-Pt-Nanodrähte wurden in nanoporöse Aluminiumoxidmembranen bei verschiedenen Potentialen zwischen -0,6 und -0.9 VSCE abgeschieden, wobei sich die Zusammensetzung von nahezu reinem Pt zu Co verändert. Die Zusammensetzung Co80Pt20 wurde bei einem Abscheidepotential von -0.7 VSCE erhalten. Die so hergestellten Co-Pt Nanodrähte sind nanokistallin. Magnetische Messungen weisen jedoch auf veränderte Phasenanteile der fcc und hcp Phase innerhalb der Drähte hin, da die effektive Anisotropie erheblich von der für Nanodrähte mit hohem Aspektverhältnis erwarteten Formanisotropie abweicht. Diese Änderung der effektiven Anisotropie ist auf die bevorzugte Ausrichtung der hexagonalen c-Achse des Co-Pt senkrecht zur Drahtachse zurückzuführen. Vielversprechende Template mit deutlich kleineren Dimensionen sind Diblockcopolymertemplate. Es wurden Versuche zur Abscheidung von Co und Co-Pt in diese Template durchgeführt. Als Gründe für die inhomogene Templatfüllung wurden Inhomogenitäten in der Schichtdicke sowie eine gewisse Rauhigkeit der Substrate identifiziert. Aufgrund der ungleichmäßigen Fülleg werden die magnetischen Eigenschaften durch große, halbkugelförmige Abscheidunge auf der Oberfläche des Templates bestimmt. Darüber hinaus wurden aus wenige nm dicken Au/Co/Au Filmen hergestellte Mikroröhren magnetisch charakterisiert. Temperaturabhängige Messungen zeigen ein Exchange Bias Verhalten, das durch beim Abkühlen induzierte Spannungen erklärt wird. Unterschiede im magnetischen Verhalten der untersuchten Proben werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen konkurrierenden magnetischen Anisotropien in verschiedenen Geometrien diskutiert.

Thin films and nanowires of Co-Pt have been prepared by means of electrodeposition. Composition, structure, microstructure and magnetic properties have been intensively studied using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and vibrating sample magnetometry and correlated to the deposition parameters such as electrolyte composition, deposition current and/or potential. Co rich Co-Pt films have been deposited at various current densities. A nearly constant composition of Co70Pt30 was achieved for current densities between 18 and 32 mA/cm². Detailed texture measurements confirmed an increasing fraction of the hexagonal phase with its c-axis aligned perpendicular to the film plane with increasing current density. Accordingly, magnetic properties are strongly affected by the magnetocrystalline anisotropy of the hexagonal phase that competes with the shape anisotropy of the thin film geometry. Co-Pt nanowires have been prepared within alumina templates at different deposition potentials between -0.6 and -0.9VSCE changing the composition from nearly pure Pt to Co. The composition Co80Pt20 was observed at a deposition potential of -0.7VSCE. Co-Pt nanowires are nanocrystalline in the as-deposited state. Magnetic measurements reveal changing fcc and hcp phase fractions within the wires as the effective anisotropy significantly differs from the expected shape anisotropy for nanowires with high aspect ratio. This change in effective anisotropy is attributed to the preferential alignment of the c-axis of hcp Co-Pt phase perpendicular to the nanowires axis. A promising alternative with much smaller feature sizes is the diblock copolymer template. Electrodeposition of Co and Co-Pt into these templates has been carried out. Inhomogeneities in the template thickness as well as a certain substrate roughness have been identified to be the reasons for inhomogeneous template filling. Thus magnetic properties are dominated by large deposits found on top of the template. Additionally, rolled-up tubes of several nm thick Au/Co/Au films have been characterized magnetically. Temperature dependent measurements show an exchange bias behaviour that is explained in terms of induced stresses during cooling. Changes of magnetic properties in the investigated samples are finally discussed in terms of competing effects of different magnetic anisotropies in various geometries. / Co-Pt Dünnschichten und Nanodrähte wurden mittels elektrochemischer Abscheidung hergestellt. Zusammensetzung, Struktur, Mikrostruktur und magnetische Eigenschaften wurden intensiv mit Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie und Magnetometrie untersucht und mit den Depositionsparametern wie Elektrolytzusammensetzung, Abscheidestrom und/oder-potential korreliert. Co reiche Co-Pt-Filme wurden mit verschiedenen Stromdichten hergestellt. Eine nahezu konstante Zusammensetzung im Bereich Co70Pt30 wurde für Stromdichten zwischen 18 und 32 mA/cm² erreicht. Detaillierte Texturmessungen bestätigen einen zunehmenden Anteil an hexagonaler Phase mit senkrecht zur Filmebene ausgerichteter c-Achse mit zunehmender Stromdichte. Dementsprechend werden die magnetischen Eigenschaften stark von der magnetokristallinen Anisotropie der hexagonalen Phase beeinflusst, die mit der Formanisotropie der Dünnschicht-Geometrie konkurriert. Co-Pt-Nanodrähte wurden in nanoporöse Aluminiumoxidmembranen bei verschiedenen Potentialen zwischen -0,6 und -0.9 VSCE abgeschieden, wobei sich die Zusammensetzung von nahezu reinem Pt zu Co verändert. Die Zusammensetzung Co80Pt20 wurde bei einem Abscheidepotential von -0.7 VSCE erhalten. Die so hergestellten Co-Pt Nanodrähte sind nanokistallin. Magnetische Messungen weisen jedoch auf veränderte Phasenanteile der fcc und hcp Phase innerhalb der Drähte hin, da die effektive Anisotropie erheblich von der für Nanodrähte mit hohem Aspektverhältnis erwarteten Formanisotropie abweicht. Diese Änderung der effektiven Anisotropie ist auf die bevorzugte Ausrichtung der hexagonalen c-Achse des Co-Pt senkrecht zur Drahtachse zurückzuführen. Vielversprechende Template mit deutlich kleineren Dimensionen sind Diblockcopolymertemplate. Es wurden Versuche zur Abscheidung von Co und Co-Pt in diese Template durchgeführt. Als Gründe für die inhomogene Templatfüllung wurden Inhomogenitäten in der Schichtdicke sowie eine gewisse Rauhigkeit der Substrate identifiziert. Aufgrund der ungleichmäßigen Fülleg werden die magnetischen Eigenschaften durch große, halbkugelförmige Abscheidunge auf der Oberfläche des Templates bestimmt. Darüber hinaus wurden aus wenige nm dicken Au/Co/Au Filmen hergestellte Mikroröhren magnetisch charakterisiert. Temperaturabhängige Messungen zeigen ein Exchange Bias Verhalten, das durch beim Abkühlen induzierte Spannungen erklärt wird. Unterschiede im magnetischen Verhalten der untersuchten Proben werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen konkurrierenden magnetischen Anisotropien in verschiedenen Geometrien diskutiert.

Die Menschheit steht vor der großen Herausforderung der Energieversorgung des 21. Jahrhundert. Nirgendwo ist diese noch dringlicher geworden als im Bereich der Energiespeicherung und Umwandlung. Konventionelle Energie kommt hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen, die auf der Erde nur begrenzt vorhanden sind, und hat zu einer starken Belastung der Umwelt geführt. Zusätzlich nimmt der Energieverbrauch weiter zu, insbesondere durch die rasante Verbreitung von Fahrzeugen und verschiedener Kundenelektronik wie PCs und Mobiltelefone. Alternative Energiequellen sollten vor einer Energiekrise entwickelt werden. Die Gewinnung erneuerbarer Energie aus Sonne und Wind sind auf jeden Fall sehr wichtig, aber diese Energien sind oft nicht gleichmäßig und andauernd vorhanden. Energiespeichervorrichtungen sind daher von großer Bedeutung, weil sie für eine Stabilisierung der umgewandelten Energie sorgen. Darüber hinaus ist es eine enttäuschende Tatsache, dass der Akku eines Smartphones jeglichen Herstellers heute gerade einen Tag lang ausreicht, und die Nutzer einen zusätzlichen Akku zur Hand haben müssen. Die tragbare Elektronik benötigt dringend Hochleistungsenergiespeicher mit höherer Energiedichte. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung von einzelnen aufgerollten Siliziumstrukturen als Anoden, die durch nanotechnologische Methoden hergestellt werden. Eine Lab-on-Chip-Plattform wird für die Untersuchung der elektrochemischen Kinetik, der elektrischen Eigenschaften und die von dem Lithium verursachten strukturellen Veränderungen von einzelnen Siliziumrohrchen als Anoden in einer Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In dem zweiten Teil wird ein neues Design und die Herstellung von flexiblen on-Chip, Festkörper Mikrosuperkondensatoren auf Basis von MnOx/Au-Multischichten vorgestellt, die mit aktueller Mikroelektronik kompatibel sind. Der Mikrosuperkondensator erzielt eine maximale Energiedichte von 1,75 mW h cm-3 und eine maximale Leistungsdichte von 3,44 W cm-3. Weiterhin wird ein flexibler und faserartig verwebter Superkondensator mit einem Cu-Draht als Substrat vorgestellt. Diese Dissertation wurde im Rahmen des Forschungsprojekts GRK 1215 "Rolled-up Nanotechnologie für on-Chip Energiespeicherung" 2010-2013, finanziell unterstützt von der International Research Training Group (IRTG), und dem PAKT Projekt "Elektrochemische Energiespeicherung in autonomen Systemen, no. 49004401" 2013-2014, angefertigt. Das Ziel der Projekte war die Entwicklung von fortschrittlichen Energiespeichermaterialien für die nächste Generation von Akkus und von flexiblen Superkondensatoren, um das Problem der Energiespeicherung zu addressieren. Hier bedanke ich mich sehr, dass IRTG mir die Möglichkeit angebotet hat, die Forschung in Deutschland stattzufinden. / Human beings are facing the grand energy challenge in the 21st century. Nowhere has this become more urgent than in the area of energy storage and conversion. Conventional energy is based on fossil fuels which are limited on the earth, and has caused extensive environmental pollutions. Additionally, the consumptions of energy are still increasing, especially with the rapid proliferation of vehicles and various consumer electronics like PCs and cell phones. We cannot rely on the earth’s limited legacy forever. Alternative energy resources should be developed before an energy crisis. The developments of renewable conversion energy from solar and wind are very important but these energies are often not even and continuous. Therefore, energy storage devices are of significant importance since they are the one stabilizing the converted energy. In addition, it is a disappointing fact that nowadays a smart phone, no matter of which brand, runs out of power in one day, and users have to carry an extra mobile power pack. Portable electronics demands urgently high-performance energy storage devices with higher energy density. The first part of this work involves lithium-ion micro-batteries utilizing single silicon rolled-up tubes as anodes, which are fabricated by the rolled-up nanotechnology approach. A lab-on-chip electrochemical device platform is presented for probing the electrochemical kinetics, electrical properties and lithium-driven structural changes of a single silicon rolled-up tube as an anode in lithium ion batteries. The second part introduces the new design and fabrication of on chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors based on MnOx/Au multilayers, which are compatible with current microelectronics. The micro-supercapacitor exhibits a maximum energy density of 1.75 mW h cm-3 and a maximum power density of 3.44 W cm-3. Furthermore, a flexible and weavable fiber-like supercapacitor is also demonstrated using Cu wire as substrate. This dissertation was written based on the research project supported by the International Research Training Group (IRTG) GRK 1215 "Rolled-up nanotech for on-chip energy storage" from the year 2010 to 2013 and PAKT project "Electrochemical energy storage in autonomous systems, no. 49004401" from 2013 to 2014. The aim of the projects was to design advanced energy storage materials for next-generation rechargeable batteries and flexible supercapacitors in order to address the energy issue. Here, I am deeply indebted to IRTG for giving me an opportunity to carry out the research project in Germany. September 2014, IFW Dresden, Germany Wenping Si

Die Menschheit steht vor der großen Herausforderung der Energieversorgung des 21. Jahrhundert. Nirgendwo ist diese noch dringlicher geworden als im Bereich der Energiespeicherung und Umwandlung. Konventionelle Energie kommt hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen, die auf der Erde nur begrenzt vorhanden sind, und hat zu einer starken Belastung der Umwelt geführt. Zusätzlich nimmt der Energieverbrauch weiter zu, insbesondere durch die rasante Verbreitung von Fahrzeugen und verschiedener Kundenelektronik wie PCs und Mobiltelefone. Alternative Energiequellen sollten vor einer Energiekrise entwickelt werden. Die Gewinnung erneuerbarer Energie aus Sonne und Wind sind auf jeden Fall sehr wichtig, aber diese Energien sind oft nicht gleichmäßig und andauernd vorhanden. Energiespeichervorrichtungen sind daher von großer Bedeutung, weil sie für eine Stabilisierung der umgewandelten Energie sorgen. Darüber hinaus ist es eine enttäuschende Tatsache, dass der Akku eines Smartphones jeglichen Herstellers heute gerade einen Tag lang ausreicht, und die Nutzer einen zusätzlichen Akku zur Hand haben müssen. Die tragbare Elektronik benötigt dringend Hochleistungsenergiespeicher mit höherer Energiedichte. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung von einzelnen aufgerollten Siliziumstrukturen als Anoden, die durch nanotechnologische Methoden hergestellt werden. Eine Lab-on-Chip-Plattform wird für die Untersuchung der elektrochemischen Kinetik, der elektrischen Eigenschaften und die von dem Lithium verursachten strukturellen Veränderungen von einzelnen Siliziumrohrchen als Anoden in einer Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In dem zweiten Teil wird ein neues Design und die Herstellung von flexiblen on-Chip, Festkörper Mikrosuperkondensatoren auf Basis von MnOx/Au-Multischichten vorgestellt, die mit aktueller Mikroelektronik kompatibel sind. Der Mikrosuperkondensator erzielt eine maximale Energiedichte von 1,75 mW h cm-3 und eine maximale Leistungsdichte von 3,44 W cm-3. Weiterhin wird ein flexibler und faserartig verwebter Superkondensator mit einem Cu-Draht als Substrat vorgestellt. Diese Dissertation wurde im Rahmen des Forschungsprojekts GRK 1215 "Rolled-up Nanotechnologie für on-Chip Energiespeicherung" 2010-2013, finanziell unterstützt von der International Research Training Group (IRTG), und dem PAKT Projekt "Elektrochemische Energiespeicherung in autonomen Systemen, no. 49004401" 2013-2014, angefertigt. Das Ziel der Projekte war die Entwicklung von fortschrittlichen Energiespeichermaterialien für die nächste Generation von Akkus und von flexiblen Superkondensatoren, um das Problem der Energiespeicherung zu addressieren. Hier bedanke ich mich sehr, dass IRTG mir die Möglichkeit angebotet hat, die Forschung in Deutschland stattzufinden. / Human beings are facing the grand energy challenge in the 21st century. Nowhere has this become more urgent than in the area of energy storage and conversion. Conventional energy is based on fossil fuels which are limited on the earth, and has caused extensive environmental pollutions. Additionally, the consumptions of energy are still increasing, especially with the rapid proliferation of vehicles and various consumer electronics like PCs and cell phones. We cannot rely on the earth’s limited legacy forever. Alternative energy resources should be developed before an energy crisis. The developments of renewable conversion energy from solar and wind are very important but these energies are often not even and continuous. Therefore, energy storage devices are of significant importance since they are the one stabilizing the converted energy. In addition, it is a disappointing fact that nowadays a smart phone, no matter of which brand, runs out of power in one day, and users have to carry an extra mobile power pack. Portable electronics demands urgently high-performance energy storage devices with higher energy density. The first part of this work involves lithium-ion micro-batteries utilizing single silicon rolled-up tubes as anodes, which are fabricated by the rolled-up nanotechnology approach. A lab-on-chip electrochemical device platform is presented for probing the electrochemical kinetics, electrical properties and lithium-driven structural changes of a single silicon rolled-up tube as an anode in lithium ion batteries. The second part introduces the new design and fabrication of on chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors based on MnOx/Au multilayers, which are compatible with current microelectronics. The micro-supercapacitor exhibits a maximum energy density of 1.75 mW h cm-3 and a maximum power density of 3.44 W cm-3. Furthermore, a flexible and weavable fiber-like supercapacitor is also demonstrated using Cu wire as substrate. This dissertation was written based on the research project supported by the International Research Training Group (IRTG) GRK 1215 "Rolled-up nanotech for on-chip energy storage" from the year 2010 to 2013 and PAKT project "Electrochemical energy storage in autonomous systems, no. 49004401" from 2013 to 2014. The aim of the projects was to design advanced energy storage materials for next-generation rechargeable batteries and flexible supercapacitors in order to address the energy issue. Here, I am deeply indebted to IRTG for giving me an opportunity to carry out the research project in Germany. September 2014, IFW Dresden, Germany Wenping Si