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Charakterisierung von Wachstums- und
Grenzflächenphänomenen von MetallChalkogenid-Schichtstrukturen mittels
Transmissionselektronenmikroskopie
In-situ Untersuchungen zur
Wechselwirkung organischer Moleküle mit
Dichalkogenid-Elektroden
Chemische Modifizierung von
Dichalkogenid-Oberflächen
W. Jäger und E. Spiecker,
Mikrostrukturanalytik, Technische Fakultät
O. Magnussen,
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
F. Tuczek und A. Kern
Institut für Anorganische Chemie
Die Struktur und die Grenzflächen von ÜbergangsmetallDichalkogenid-Schichtkristallen werden mittels
hochauflösender Verfahren der Transmissionselektronenmikroskopie untersucht, um Wachstumsphänomene
und Defektbildungsmechanismen aufzuklären und um
Informationen über die Mikrostruktur und die lokale chemische
Zusammensetzung bei Auflösungen bis in den atomaren
Bereich zu erhalten. Bei diesen Untersuchungen werden
die Verfahren der hochauflösenden Gitterabbildung und
spektroskopische Verfahren, wie die Röntgenmikroanalyse und
die Elektronenenergieverlust-Spektroskopie, zusammen mit
konventionellen Abbildungsmethoden und mit Elektronenbeugungstechniken angewendet.
Eine besonders interessante
Eigenschaft von DichalkogenidSchichtkristallen ist ihre Fähigkeit,
organische Moleküle zwischen den
Dichalkogenidschichten einlagern zu
können. Es entstehen so Materialien,
in denen sich anorganische Dichalkogenidschichten und dichtgepackte
Schichten der organischen Moleküle
abwechseln und die zum Teil
gänzlich andere Eigenschaften als
die reinen Dichalkogenide zeigen.
Der Einlagerungsprozess lässt sich
neben rein chemischen Verfahren
auch elektrochemisch durchführen,
wobei die entstehenden Strukturen
häufig von der an die DichalkogenidElektrode angelegten Spannung
abhängen. So ist für Alkylamine
bekannt, dass mit zunehmend
negativer Spannung Schichten liegender Alkylamin-Moleküle, einfache
Schichten dichtgepackter, stehender
Moleküle und Doppelschichten
stehender Moleküle eingelagert werden (siehe Abbildung).
Die auf atomarer Skala ablaufenden Mechanismen, die diesen
Einlagerungsprozessen zugrunde liegen, sind allerdings nur
unvollständig verstanden. Sie sollen in diesem Teilprojekt
am Beispiel der Alkylamine untersucht werden und zwar mit
Methoden, mit denen die Dichalkogenidoberfläche in situ in
der flüssigen Phase untersucht werden kann. Dazu zählen vor
allem hochauflösende Rastertunnelmikroskopie und Infrarotspektroskopie, die detailliert über die Grenzflächenstruktur
und daran ablaufenden Prozesse Auskunft geben können.
Im Zentrum der Untersuchungen stehen die ersten Schritte
des Einlagerungsprozesses, also die Adsorption der Moleküle
an der Dichalkogenidoberfläche und die Anfangsstadien des
Eindringens der Moleküle zwischen die Dichalkogenidschichten
an Oberflächendefekten.
Allgemeine Informationen
Kontakt:
Prof. Dr. W. Depmeier
Institut für Geowissenschaften
Abteilung Mineralogie / Kristallographie
Universität Kiel
D-24098 Kiel
und
PD Dr. L. Kipp
Institut für Experimentelle und
Angewandte Physik
Abteilung Oberflächenphysik
Universität Kiel
D-24098 Kiel
Homepage:
www.min.uni-kiel.de/Forschergruppe
gefördert durch:
Deutsche
Forschungsgemeinschaft
FOR 353
Stand: März 2003
Die folgenden Schwerpunkte werden in enger Kooperation mit
den Partnern in der Forschergruppe bearbeitet:
•
Mikrostruktur von Volumenkristallen
•
Strukturdefekte und deren Entstehung
•
Epitaktisches Wachstum von Inseln und dünnen Filmen
auf Schichtkristallen
•
Selbstorganisation von Nanostrukturen bei
Metalldeposition auf Schichtkristall-Substrate
•
Interkalation von Alkalimetallen und organischen
Molekülen
Zusammenarbeit mit anderen
Kieler Arbeitsgruppen
Oberflächennahe
Phasenübergänge mit
Ladungsdichtewellen
Schichtchalkogenide
auf Dünnfilmbasis:
Interkalation
B. Murphy, J. Stettner und
W. Press,
Institut für Experimentelle und
Angewandte Physik
W. Bensch,
Institut für Anorganische
Chemie
Übergangsmetall-Dichalkogenide haben besonders
interessante Eigenschaften,
zu denen die Ausbildung von
Ladungsdichtewellen bei
tiefen Temperaturen gehört.
Im Mittelpunkt dieses Teilprojektes steht die Fixierung
von Übergangsmetallkomplexen an Chalkogenid- bzw.
Edelmetall-Oberflächen und die spektroskopische sowie
strukturelle Charakterisierung der resultierenden modifizierten
Oberflächen. Die dabei verwendeten Methoden sind AFM/
STM, XPS, UPS und IRAS (Infrarot-Reflexions-AbsorptionsSpektroskopie). Die Metallkomplexe sollen z.B. an GoldOberflächen über bifunktionelle Linker wie NC-C6H4-S¯
gebunden werden. Für die Modifizierung von DichalkogenidOberflächen müssen diese zunächst mit einer Monolage
von Goldkomplexen belegt werden; hierbei sollen Au(I)Komplexe mit Phosphin-, Thioether- und Halogenidliganden
zum Einsatz kommen. Die entstehende Schicht soll sodann
mit bifunktionellen Liganden weiter umgesetzt werden, wobei
die terminalen Liganden an den Goldzentren durch die
Thiolatgruppen dieser Liganden ersetzt werden. Das andere
Ende dieser Linker soll an einen Metallkomplex binden (s.
Abbildung). Langfristiges Ziel dieser Arbeiten ist eine gezielte
Funktionalisierung von Oberflächen im Hinblick auf die
Durchführung elektrokatalytischer Reaktionen (chemisch
modifizierte Elektroden). Vor dem Hintergrund der StickstoffFixierung, d.h. der Reduktion von Stickstoff zu Ammoniak,
sollen als Übergangsmetallkomplexe vor allem zur Bindung
und Aktivierung von N2 befähigte Mo(0)- und W(0)-Komplexe
mit quadratisch-planarer P4-Koordination zum Einsatz
kommen.
Wir untersuchen in diesem
Projekt den zugehörigen
Phasenübergang mit Hilfe
von Röntgenstreuung unter
streifendem Einfall, wodurch
sich die Informationstiefe
von 3 nm (12 Atome) bis
150 nm variieren läßt.
Besonders interessiert
uns, ob und wie sich das
Phasenübergangsverhalten
an der Oberfläche von dem
im Volumen unterscheidet.
Die bisherigen Messungen
an NbSe2 zeigen, dass der
Phasenübergang an der
Oberfläche bei einer höheren
Temperatur stattfindet als im
Volumen.
Die fundamentalen Reaktionsschritte der Interkalation
von Li in Übergangsmetalldichalkogenide werden in
Abhängigkeit von den Defektarten und -dichten im Wirtsgitter mit Röntgenbeugung,
optischer Mikroskopie,
Elektronenmikroskopie,
elektrischer Leitfähigkeit und
elektrochemisch untersucht.
Mit diesen Methoden wird ein
umfassendes Bild über den
physiko-chemischen Zustand
der Edukte und Produkte
erhalten. Die Ergebnisse der
Experimente sollen einen
Beitrag zur Defektchemie von
Übergangsmetallchalkogeniden liefern.
DFG - Forschergruppe
Chalkogenid Schichtstrukturen:
Wachstum und Grenzflächeneigenschaften
Mineralogie/
Kristallographie
Chemie
Physik
Materialwissenschaften
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