Oberflächenanalytische Untersuchungen der elektronischen und chemischen Eigenschaften Ionischer Flüssigkeiten sowie deren Wechselwirkung mit Kupferspezies

Ulbrich, Angela GND

Ionic liquids (ILs) are known for their unusual properties such as low vapor pressure, high chemical stability and high heat capacity. ILs are used for example as solvents for electrochemical deposition of metals and semiconductors, as electrolytes in solar cells or as lubricants. In order to realise the potential of this class of materials the knowledge of the physical and chemical properties is crucial. The presented thesis investigated the surface properties of selected ILs, their interaction with copper species and the influence of X-ray radiation and plasma treatment. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and metastable induced electron spectroscopy (MIES) were used for sample analysis. First, the electronic structure of various ILs is characterized. The focus is on fluids with substituted imidazolium ions and chloride or [Tf2N]- anions. The extension of the investigations to other anions supported the presence of cations and anions in the near-surface region. Angle-resolved XPS studies indicated a preferred orientation of the alkyl chains towards the vacuum and revealed a shielding effect on certain anions. Liquids with [Tf2N]- ions possess a dominant contribution of the anions to the valence band. In the second part of this thesis, several copper-IL-systems are considered, whereas copper occurred in different oxidation states. The oxidation state is particularly influenced by ambient conditions. The detected inhomogeneous distribution of copper on the surface indicated an aggregation of the copper species. The enrichment of electrochemically dissolved copper species on the surface leads to displacement effects. Finally, the influence of X-rays on [EMIm]Tf2N is investigated. Intensive exposure of monochromated Alk-alpha- radiation leads to negligible degradation. In contrast, after treatment with non-monochromated Alk-alpha- radiation strong degradation effects are observed. Further studies on liquids with imidazolium ions attest that the anions have a strong influence on the stability of the ILs towards X-ray irradiation. In addition, the chemical composition of the investigated ILs is not clearly influenced by plasma treatment.

Ionische Flüssigkeiten (Ionic Liquids; ILs) zeichnen sich durch zum Teil ungewöhnliche Eigenschaften, wie z.B. geringer Dampfdruck, aus. Verwendet werden ILs beispielsweise als Lösungsmittel bei der elektrochemischen Abscheidung von Metallen, als Elektrolyte in Solarzellen oder als Schmierstoffe. Um das Potential dieser Substanzklasse auszuschöpfen, ist die genaue Kenntnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Die vorliegende Arbeit untersucht die Oberflächeneigenschaften ausgewählter ILs, deren Wechselwirkung mit Kupferspezies sowie den Einfluss von Röntgenstrahlung und Plasmabehandlung. Die Methoden Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und die Spektroskopie mit metastabilem Helium (MIES) werden angewandt. Zunächst wird die elektronische Struktur verschiedener ILs charakterisiert. Der Fokus liegt auf Flüssigkeiten mit substituierten Imidazolium-Ionen und Chlorionen bzw. [Tf2N]- Ionen. Die Ausweitung der Untersuchungen auf weitere Anionen belegt die Präsenz von Kationen und Anionen im oberflächennahen Bereich. Winkelabhängige XPS Untersuchungen weisen auf eine bevorzugte Ausrichtung der Alkylkette in Richtung Vakuum hin und die Abschirmung bestimmter Anionen wird ersichtlich. Flüssigkeiten mit [Tf2N]- Ionen zeigen einen dominanten Anionenbeitrag zum Valenzband. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Kupfer-IL-Systeme betrachtet, wobei Kupfer in unterschiedlichen Oxidationszuständen auftritt. Diese werden durch den Kontakt mit atmosphärischen Bedingungen teilweise beeinflusst. Die inhomogene Kupferverteilung an der Oberfläche deutet auf eine Aggregation hin. Die Anreicherung elektrochemisch gelöster Kupferspezies an der Oberfläche führt zu Verdrängungseffekten. Abschließend wird der Einfluss von Röntgenstrahlung auf [EMIm]Tf2N betrachtet. Monochromatisierte Alk-alpha- Strahlung führt nach intensiven Strahlungseintrag zu vernachlässigbarer Degradation. Hingegen zeigt nicht monochromatisierte Alk-alpha- Strahlung starke Degradationseffekte. Weitere Untersuchungen an Flüssigkeiten mit Imidazolium-Ionen attestieren den Anionen einen starken Einfluss auf die Stabilität der IL gegenüber Röntgenstrahlung. Die betrachtete Plasmabehandlung zeigt keine eindeutigen Auswirkungen auf die chemische Zusammensetzung der untersuchten ILs.

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Ulbrich, Angela: Oberflächenanalytische Untersuchungen der elektronischen und chemischen Eigenschaften Ionischer Flüssigkeiten sowie deren Wechselwirkung mit Kupferspezies. 2015.

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