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FU Berlin
Digitale Dissertation

Dino Tonti :
Photoelectron Spectroscopy Study of the Intercalation Reaction of Alkali Metals in Transition Metal Dichalcogenides
Photoelektronspektroskopie zur Interkalationsreaktion von Alkalimetallen in Übergangsmetalldichalkogeniden

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|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung

Die Einlagerung von Alkaliatomen in geeignete Festkörper, auch bekannt als Interkalation, ist für geeignete Wirt-Gast-kombinationen thermodynamisch stark bevorzugt, und hochentwickelte Batterien basieren auf diesem Prozeß. Ziel dieser Arbeit war die systematische Untersuchung durch Photoelektronspektroskopie der Interkalationsphasen in Abhängigkeit von dem Wirt, dem Gast und seiner Konzentration.

Na wurde auf Schichtgitter der Formel MX2 mit Übergangsmetallen der Gruppen IVb (Ti) und Vb (Ta) und Chalkogene von unterschiedlicher Größe (S und Se) aufgedampft. Trotz der unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften des Wirtes, wurden im Allgemein ähnliche Eigenschaften zwischen TiX2 und TaX2 beobachtet: die Verschiebung der elektronischen Niveaus des Chalkogen zu höheren Bindungsenergien, Verbreiterung der Übergangmetallniveaus und eine geringe Abnahme der Austrittsarbeit. Andererseits konnte die Ausbildung einer großen Bandlücke zwischen den Ti 3d und S 3p Zuständen im TiS2 in den entsprechenden Zuständen von TiSe2 nicht beobachtet werden.

Alkalimetalle unterschiedlicherer Größe sind durch sequentielles Aufdampfen auf die gleiche Probe verglichen worden. Es konnte festgestellt werden, daß kleinere Atome eine höhere Interkalationstriebskraft aufweisen. Sie können sogar die Deinterkalation der größeren Alkaliatome verursachen.

Wegen der schnellen Alkalidiffusion in das Kristallvolumen war es nicht möglich, interkalierte Proben mit hohen Konzentrationen herzustellen. Zur Untersuchung höherer Konzentrationen ist eine UHV-Herstellung von dünnen TiS2 Filmen entwickelt worden. Mit diesen dünnen Schichten wurde keine alkali Begrenzungskonzentration beobachtet. Das beweist die Möglichkeit in-situ völlig interkalierte Materialien zu präparieren.

Bei der gleichen Herstellung konnten TiS2 Schichten auf Na-b ''-Al2O3, ein bekannter Na+ Festkörper-Ionenleiter, abgeschieden werden. Folglich war die Untersuchung einer in-situ hergestellten elektrochemischen Festkörperzelle möglich, die im UHV in einer gekoppelten elektrochemischen und PES-Messung verwendet werden könnte. Die Gastkonzentration wurde damit auf bisher unerreichter Stufe kontrolliert, und die elektronische Struktur wurde gleichzeitig beobachtet. Da die Elektrodenspannung vom chemischen Potential des Gastes in der Wirtsmatrix abhängt, ist damit ein Zusammenhang zwischen thermodynamischen Daten und elektronischer Struktur herzustellen. Das chemische Potential des Gastatoms wurde in einen elektronischen und ionischen Beitrag aufgeteilt, was den getrennten Wechselwirkungen zwischen eingelagerte Elektronen und Ionen mit dem Wirt entspricht. Beide Beiträge ändern sich mit der Interkalation und ergeben den entsprechenden Spannungsabfall. Der Ionenanteil beträgt ungefähr ein Drittel des gesamten Spannungsabfalls. Detallierte Analysen der Verschiebungen von Bindungsenergien zeigen einen Ladungtransfer von Alkaliatom auf das Übergangmetall, aber auch auf das Chalcogen.


Inhaltsverzeichnis

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Cover and Abstracts

Table of contents

1 Introduction

2 Fundamentals

2.1 Transition metal dichalcogenides
2.2 The intercalation reaction
2.3 Motivation and outline of the present work

3 Experimental

3.1 Photoelectron spectroscopy
3.2 UHV equipment and spectrometer systems
3.3 Preparative methods
3.4 Ex-situ characterization techniques

4 Thin film synthesis

4.1 Low-pressure growth techniques
4.2 The electronic structure of TiX2
4.3 Optimization
4.4 The reaction mechanism
4.5 Ex-situ characterizations

5 Intercalation

5.1 Deposition on single crystals
5.2 Co-deposition experiments
5.3 Deposition on thin films
5.4 In-situ electrochemical intercalation

6 Discussion and conclusions

6.1 Binding energy shifts and charge transfer
6.2 The ionic and electronic contributions to the electrochemical potential
6.3 Summary of results and perspectives

References

List of abbreviations

Publications


Ergänzende Angaben:

Online-Adresse: http://www.diss.fu-berlin.de/2000/145/index.html
Sprache: Englisch
Keywords: Intercalation, XPS, UPS, Chemical Beam Epitaxy, TiS2, Na, chemical potential
DNB-Sachgruppe: 30 Chemie
Klassifikation PACS: 71.20, 73, 81.15.Hi, 81.15.-z, 81.20.-n, 81.70.-q, 82.30.-b, 82.45.-h, 82.80.Fk, 82.80.Ms, 82.80.Pv
Datum der Disputation: 24-Oct-2000
Entstanden am: Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter: Prof. Dr. Wolfram Jaegermann
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Helmut Tributsch
Kontakt (Verfasser): dino.t@gmx.net
Kontakt (Betreuer): jaegerw@surface.tu-darmstadt.de
Abgabedatum:12-Dec-2000
Freigabedatum:02-Feb-2001

 


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