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Chemisch dotiertes Polypyrrol gilt als Modellsubstanz für leitfähige Polymere mit nichtdegeneriertem Grundzustand. Das elektrische Transportverhalten in dotiertem Polypyrrol wird durch lokalisierte Ladungsträger, Bipolaronen und Polaronen, bestimmt. Es besteht dabei eine enge gegenseitige Wechselwirkung zwischen der Struktur der Polymerkette und den Eigenschaften der Ladungsträger. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kombination von Hochdruckmethodik und optischer Spektroskopie vertieft das Verständnis der Beziehung zwischen der molekularen und supramolekularen Struktur und den elektronischen und optischen Eigenschaften. Durch spezifische Synthesemethoden lassen sich unterschiedliche Strukturen in der polymeren Probe induzieren, die sich durch den Anteil an hochgeordneten Polymerketten unterscheiden. Die gezielte Veränderung dieser Strukturen durch Druckexperimente ermöglicht das Studium des Einflusses der Synthesemethoden auf die Ladungsträgereigenschaften. Für diese Studien wurden herkömmlich synthetisierte Polypyrrol-Filme und Filme, die sich aus Polypyrrol-Nanoröhren zusammensetzen (Synthese in Kernspur-membranen, "Template-Synthese") bei ansonsten gleichen Syntheseparametern untersucht. Raman- und Infrarotspektroskopie sowie UV-Vis-NIR-Absorptionsspektroskopie, die jeweils für die Hochdruckmethodik adaptiert wurden, dienten der Charakterisierung der Proben. Zusätzlich wurden temperatur- und druckabhängige Messungen des elektrischen Widerstands an den Template-Proben durchgeführt. Die Morphologie template-synthetisierter Polypyrrol-Nanoröhren und die filmbildenden Eigenschaften sowie der mögliche Aufbau von Schichtarchitekturen wurden mit transmissions- und rasterelektronenmikroskopischen Techniken untersucht. Die aus den Hochdruckexperimenten gewonnenen Daten werden in der Arbeit im Hinblick auf die Stabilität der Ladungsträger interpretiert. Im Ergebnis bewirkt die Druckerhöhung eine Dissoziation der Bipolaronen in den untersuchten Proben. Das Ladungsträger-gleichgewicht verschiebt sich dadurch mit steigendem Druck zu Zuständen mit höherem Anteil an polaronischen Ladungsträgern. Die Template-Synthese bewirkt gegenüber herkömmlich synthetisierten Proben einen höheren Anteil an Polaronen bereits bei Normaldruck, und eine Lage des Systems näher bei einem Isolator-Metall-Übergang. Die Dissoziationsrate der Bipolaronen ist für Template- und herkömmlich synthetisierte Proben vergleichbar groß und unabhängig vom Initialzustand nach der Synthese. Dieses Verhalten der Ladungsträger wird weitergehend im Rahmen eines Modells untersucht, bei dem der Einfluß benachbarter Polymerketten und der Dotandionen berücksichtigt wird. Dementsprechend können sich die Wellenfunktionen der Ladungsträger unter bestimmten Bedingungen auch auf benachbarte Ketten erstrecken (transversale Polaronen bzw. Bipolaronen). Eine solche Ausdehnung der Wellenfunktionen unter Mitwirkung der Dotandionen wurde in den untersuchten Proben nicht festgestellt. Die Wellenfunktionen der Ladungsträger besitzen demnach hauptsächlich Komponenten entlang der Polymerkette (longitudinale Polaronen bzw. Bipolaronen). Aus der Änderungsrate druckabhängiger spektraler Charakteristiken lassen sich Aussagen über den Ordnungszustand der Probe ableiten. Diese auf experimentellem Wege gefundenen Ergebnisse liefern somit Hinweise für die bisher kontrovers diskutierte Koexistenz der beiden Ladungsträgerarten Polaronen und Bipolaronen und die Größe ihrer jeweiligen Bindungsenergien. Druckerhöhung und Template-Synthese bewirken analoge Änderungen der Polymerstruktur. Sowohl höherer Druck wie auch die Template-Synthese lassen sich mit einem höheren Ordnungsgrad in den Template-Proben korrelieren. Der Ladungstransport in den Proben kann durch ein Mott Variable Range Hopping-Modell mit druckabhängiger charakteristischer Dimension beschrieben werden. Die Erhöhung des Drucks bewirkt einen Anstieg der Dimension, eine bessere Überlappung der Wellenfunktionen der Ladungsträger und eine Vergrößerung der Lokalisierungslänge der Ladungsträger. Die druckinduzierte Dissoziation der Bipolaronen beeinflußt den Ladungstransport zusätzlich durch Erhöhung der Anzahl unabhängiger Ladungsträger und verbessert diesen aufgrund stärkerer Überlappung der Wellenfunktionen. Template-Proben niedriger Synthesetemperatur zeigen bei Normaldruck eine höhere Dimension des Mott Variable Range Hoppings und eine größere Lokalisierungslänge gegenüber bei Raumtemperatur synthetisierten Proben. Kürzere Synthesezeiten bewirken einen Anstieg der Dimension bei Normaldruck und eine Verschiebung des Dimensionscrossovers zu niedrigeren Temperaturen. Template-Proben kurzer Synthesezeit zeigen geringere druckinduzierte Änderungen als solche mit langer Synthesezeit. Es wurde ein kontinuierliches Ordnungsmodell der Polypyrrol-Nanoröhren entwickelt, das dieses Verhalten beschreibt. Die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der Nanoröhren werden durch spezifische Syntheseparameter, wie Temperatur und Dauer, beeinflußt und können mit Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie beobachtet werden. Die filmbildenden Eigenschaften der Röhren hängen stark von diesen mechanischen Eigenschaften ab. Die Struktur der Filme kann dabei von einer unregelmäßigen Anordnung der Röhren bis zu nahezu parallel ausgerichteten Röhren variieren. Es wurden Möglichkeiten untersucht, die Röhren in den Filmen zu orientieren und aus diesen Filmen durch Schichtung makroskopische Architekturen mit einem hohen Grad an orientierten Röhren aufzubauen. Solche Architekturen können für verschiedene Anwendungen, z.B. in elektronischen Bauteilen oder mikroskopischen Bioreaktoren, von Interesse sein.
Aluminum oxide is an Earth-abundant geological material, and its interaction with water is of crucial importance for geochemical and environmental processes. Some aluminum oxide surfaces are also known to be useful in heterogeneous catalysis, while the surface chemistry of aqueous oxide interfaces determines the corrosion, growth and dissolution of such materials. In this doctoral work, we looked mainly at the (0001) surface of α-Al 2 O 3 and its reactivity towards water. In particular, a great focus of this work is dedicated to simulate and address the vibrational spectra of water adsorbed on the α-alumina(0001) surface in various conditions and at different coverages. In fact, the main source of comparison and inspiration for this work comes from the collaboration with the “Interfacial Molecular Spectroscopy” group led by Dr. R. Kramer Campen at the Fritz-Haber Institute of the MPG in Berlin. The expertise of our project partners in surface-sensitive Vibrational Sum Frequency (VSF) generation spectroscopy was crucial to develop and adapt specific simulation schemes used in this work. Methodologically, the main approach employed in this thesis is Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD) based on periodic Density Functional Theory (DFT) using the PBE functional with D2 dispersion correction. The analysis of vibrational frequencies from both a static and a dynamic, finite-temperature perspective offers the ability to investigate the water / aluminum oxide interface in close connection to experiment.
The first project presented in this work considers the characterization of dissociatively adsorbed deuterated water on the Al-terminated (0001) surface. This particular structure is known from both experiment and theory to be the thermodynamically most stable surface termination of α-alumina in Ultra-High Vacuum (UHV) conditions. Based on experiments performed by our colleagues at FHI, different adsorption sites and products have been proposed and identified for D 2 O. While previous theoretical investigations only looked at vibrational frequencies of dissociated OD groups by staticNormal Modes Analysis (NMA), we rather employed a more sophisticated approach to directly assess vibrational spectra (like IR and VSF) at finite temperature from AIMD. In this work, we have employed a recent implementation which makes use of velocity-velocity autocorrelation functions to simulate such spectral responses of O-H(D) bonds. This approach allows for an efficient and qualitatively accurate estimation of Vibrational Densities of States (VDOS) as well as IR and VSF spectra, which are then tested against experimental spectra from our collaborators.
In order to extend previous work on unimolecularly dissociated water on α-Al 2 O 3 , we then considered a different system, namely, a fully hydroxylated (0001) surface, which results from the reconstruction of the UHV-stable Al-terminated surface at high water contents. This model is then further extended by considering a hydroxylated surface with additional water molecules, forming a two-dimensional layer which serves as a potential template to simulate an aqueous interface in environmental conditions. Again, employing finite-temperature AIMD trajectories at the PBE+D2 level, we investigated the behaviour of both hydroxylated surface (HS) and the water-covered structure derived from it (known as HS+2ML). A full range of spectra, from VDOS to IR and VSF, is then calculated using the same methodology, as described above. This is the main focus of the second project, reported in Chapter 5. In this case, comparison between theoretical spectra and experimental data is definitely good. In particular, we underline the nature of high-frequency resonances observed above 3700 cm −1 in VSF experiments to be associated with surface OH-groups, known as “aluminols” which are a key fingerprint of the fully hydroxylated surface.
In the third and last project, which is presented in Chapter 6, the extension of VSF spectroscopy experiments to the time-resolved regime offered us the opportunity to investigate vibrational energy relaxation at the α-alumina / water interface. Specifically, using again DFT-based AIMD simulations, we simulated vibrational lifetimes for surface aluminols as experimentally detected via pump-probe VSF. We considered the water-covered HS model as a potential candidate to address this problem. The vibrational (IR) excitation and subsequent relaxation is performed by means of a non-equilibrium molecular dynamics scheme. In such a scheme, we specifically looked at the O-H stretching mode of surface aluminols. Afterwards, the analysis of non-equilibrium trajectories allows for an estimation of relaxation times in the order of 2-4 ps which are in overall agreement with measured ones.
The aim of this work has been to provide, within a consistent theoretical framework, a better understanding of vibrational spectroscopy and dynamics for water on the α-alumina(0001) surface,ranging from very low water coverage (similar to the UHV case) up to medium-high coverages, resembling the hydroxylated oxide in environmental moist conditions.