Dokument: Chemie und Physik in einer Dimension – das X⁺(Mo₃Se₃)^- Nanodraht System

Titel:	Chemie und Physik in einer Dimension – das X+(Mo3Se3)- Nanodraht System
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3066
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050323-001066-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Heidelberg, Andreas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,08 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Schultze, Joachim Walter [Gutachter] Prof. Dr. Seidel, Claus A. M. [Gutachter] Prof. Dr. Boland, J. J. [Gutachter] Prof. Dr. Wittstock, G. [Gutachter]
Stichwörter:	Nanodraht, mechanische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften, Korrosion, Elektrochemie, Wachstumsmechanismus, AFM, E-Modul, Biegestärke, Peierlsstörungnanowire, mechanical properties, electrical properties, corrosion, electrochemistry, growth mechanism, AFM, E-modulus, bending strength, Peierls distortion
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der elektrischen, elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften von LiMo3Se3 Nanodrähten. Für die Abscheidung der Na-nodrähte aus Lösung wurde ein Wachstumsmodell entwickelt. Der Einfluss einer chemischen Modifikation der LiMo3Se3 Nanodrähte durch Ionenaustausch des Li-Kations gegen positiv geladene Alkylammonium- und Alkylpyridin-Liganden wurde im Bezug auf die Korrosions-stabilität und die elektrischen Eigenschaften betrachtet. LiMo3Se3 bildet quasi-eindimensionale Kristalle, die sich aus hexagonal dicht gepackten Ket-ten, bestehend aus Stapeln gestaffelter, dreieckiger, einfach negativ geladener Mo3Se3 Cluster, zusammensetzen. Die Ketten haben einen Durchmesser von 0,6 nm und sind durch Ketten der Li-Kationen voneinander getrennt. Die Kristalle lösen sich in polaren Lösemitteln und zerfal-len in molekulare Nanodrahtoligomere mit einer Länge zwischen 150 und 400 nm, wie durch Viskositätsmessungen und Lichtstreuungsexperimente gezeigt worden ist. Bei der Abschei-dung von LiMo3Se3 Nanodrähten aus Lösung kommt es, in Abhängigkeit von den Lösungs-konzentrationen, den verwendeten Substraten und den Abscheidungsbedingungen, zur Aus-bildung von verschiedenen Strukturen. Neben Nanodrahtbündeln mit Längen von bis zu 40 µm und Höhen zwischen 10 und 150 nm bilden sich auch selbstorganisierte Nanodraht-netzwerke mit einer durchschnittlichen Nanodrahthöhe von 4 nm aus. Über AFM Messungen konnte das Wachstum der Nanodrahtbündel aus den in Lösung gefundenen Nanodrahtoligo-meren auf der Substratoberfläche beobachtet werden. Die elektrischen Eigenschaften von LiMo3Se3 Nanodrahtbündeln und –filmen wurden durch STS und Vierpunktmessungen untersucht. In einem Temperaturbereich zwischen 81 und 300 K sind die Nanodrähte metallische Leiter und haben bei Raumtemperatur einen spezifi-schen Widerstand von 1 bis 3 * 10-5 Ω*cm. Unterhalb 81 K zeigen die Nanodrähte halb-leitende Eigenschaften, was auf eine Phasenumwandlung, die Peierlsstörung zurückzuführen ist. Bei einer Temperatur von 18,5 K kommt es zu einer zweiten Phasenumwandlung. Unter Luftexposition korrodieren die Nanodrähte und der spezifische Widerstand steigt aufgrund des reduzierten leitfähigen Querschnitts. Elektrochemische Messungen in sauerstoff- und wasserfreien organischen Elektrolytlösungen zeigen einen teilweise reversiblen Redoxprozess bei einem Gleichgewichtspotential von 0,41 V SHE. In wässrigen Elektrolyten kommt es zu einer irreversiblen oxidativen Zerstörung des Materials bei einem vergleichbaren Potential. XPS Messungen zeigen, dass während des Oxidationsprozesses die Mo3Se3 Ketten zu Se und MoO3 oxidiert werden. Messungen zu den mechanischen Eigenschaften wurden durch AFM Manipulationen an den Nanodrähten durchgeführt. LiMo3Se3 Nanodrähte zeigen ein E-Modul, dass mit dem von Kohlenstoffnanoröhren vergleichbar ist. Da es sich bei den untersuchten Strukturen um Bün-del von Nanodrähten handelt, wird eine starke Radiusabhängigkeit des E-Moduls, aufgrund von Schereffekten zwischen den einzelnen Drähten in den Bündeln, gefunden. Die Biegestär-ke der Nanodrahtbündel zeigt ebenfalls eine Radiusabhängigkeit und erreicht für sehr kleine Radien den theoretisch maximal möglichen Wert von E/10. Im Gegensatz zu LiMo3Se3 Nanodrähten zeigen die ionenausgetauschten Nanodrahtnetzwerke in einem Temperaturbereich von 80 bis 300 K halbleitendes Verhalten. Die Netzwerke stellen Percolationsnetzwerke dar und der Ladungstransport erfolgt durch einen Hüpfmechanismus mit Aktivierungsenergien zwischen 18 und 52 meV und ist stark abhängig von den verwende-ten Liganden. Durch die verwendeten Liganden konnte keine absolute Korrosionsstabilität der Strukturen erlangt werden. Die Korrosionsstabilität verändert sich stark mit den verwendeten Liganden ab. In this work we describe the electrical, electrochemical and mechanical properties of LiMo3Se3 nanowires. A growth model was developed for the deposition of these nanowires out of solution. The influence of chemical modification of LiMo3Se3 nanowires by ion-exchange of the Li-cation to positively charged alkylammonium- and alkylpyridinium-ligands is investigated with respect to the corrosion stability and electronic properties. LiMo3Se3 forms quasi one-dimensional crystals, consisting of hexagonally dense packed chains of negatively charged Mo3Se3 cluster in a staggered configuration. The chains have a diameter of 0.6 nm and are separated by chains of Li-cations. The crystals dissolve in polar solvents, disassembling into molecular nanowire oligomeres with lengths between 150 and 400 nm as shown by viscosity and dynamic light scattering experiments. During the deposition of LiMo3Se3 nanowires out of solution various different structures are observed depending on the solution concentration, substrate used and deposition conditions. In addition to nanowire bundles with lengths up 40 µm and heights between 10 and 150 nm, self-assembling nanowire networks with an average nanowire height of 4 nm are also formed. Using AFM the growth of nanowire bundles from nanowire oligomers found in solution can be observed. The electrical properties of LiMo3Se3 nanowire bundles and films have been investigated by STS and four probe measurements. In a temperature range between 81 and 300 K the nanowires are metallic conductors with a resistivity of 1 to 3 * 10-5 Ω*cm. Below 81 K semiconducting behaviour is found, which is attributed to a phase transition, the so called Peierls distortion. At a temperature of 18.5 K a second phase transition is observed. LiMo3Se3 nanowires corrode under air exposure leading to an increase in the resistivity due to the reduced conducting cross section. Electrochemical measurements in oxygen- and water-free organic electrolyte solutions show a partially reversible redox process at an equilibrium potential of 0.41 V SHE. In aqueous electrolytes an irreversible oxidative destruction of the material is observed at a comparable potential. XPS measurements show that the Mo3Se3 chains oxidize to Se and MoO3 during the oxidation process. Mechanical properties were measured by AFM manipulations on the nanowires. LiMo3Se3 nanowires show an E-modulus comparable to that of carbon nanotubes. The E-modulus shows an exponential dependence of the nanowire bundle diameter, due to shear effects between the individual nanowires in the bundle. The maximum bending strength also shows a dependence of the bundle diameter, approaching the maximum possible value of E/10 for very small diameter wires. In contrast to LiMo3Se3, ion-exchanged nanowires show semiconducting behaviour in a temperature range between 80 and 300 K. These nanowire networks exhibit percolation behaviour and the charge transport in these networks occurs by a hopping mechanism. The activation energies are found to be between 18 and 52 meV depending on the ligands used. Although complete corrosion stability could not be achieved by the use of ligands, the corrosion stability strongly depends on the ligands used.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie
Dokument erstellt am:	23.03.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	02.02.2005
Datum der Promotion:	02.02.2005