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Untersuchungen zum strukturkorrelierten Ionentransport mittels BIIT und ToF-SIMS durch ultradünne Polymerfilme

Wesp, Veronika - Philipps-Universität Marburg (2015)


Gegenstand dieser Arbeit sind die Untersuchungen von sehr dünnen deponierten Polymerfilmen im Bereich von 4 nm bis etwa 400 nm und deren Einfluss auf den Ionentransport bei der Variation der Dicke des Polymerfilms, beim Wechsel des Materials der verwendeten Rückseitenelektrode und der Art des Emitterions.

Explizit stehen das thermoplastische, oberfächenkonforme, semikristalline Polymer Polyparaxylol (PPX) und die Polymerelektrolyt-membranen (PAH/PSS)n bestehend aus Schichten von Poly(allylaminhydrochlorid) und Poly(styrol-4-natriumsulfonat) im Fokus der Arbeit. Die verwendeten Messtechniken beinhalten den in der AG Weitzel entwickelten Bombardement induzierten Ionentransport (BIIT) zum Beschuss der deponierten Polymerfilme mit einem homogenen niederenergetischen Alkaliionenstrahl. Anschließend erfolgt die Vermessung der bombardierten Proben mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) zur Ermittlung der räumlichen Konzentrationsverteilung. Über die BIIT-Technik lassen sich Strom-Zeit- und Strom-Spannungs-Kurven aufnehmen durch welche Rückschlüsse auf die strukturelle Beschaffenheit des Polymers gezogen werden können. Aus den Strom-Zeit-Kurven können die Zeitkonstanten τ und die eingetragenen Ladungsmengen Q in Abhängigkeit von der strukturellen Beschaffenheit des Polymers und durch die Verwendung unterschiedlicher metallischer Substrate ermittelt werden.

Insbesondere kann in dieser Arbeit erstmalig der Unterschied von Proben mit durchgehenden Korngrenzen, den NIPs (engl. non-intermittent pathways), und Proben ohne NIPs in Form von linearen und quadratischen Strom-Spannungs-Kurven dargestellt und über ToF-SIMS Tiefenprofilierung visualisiert werden. Aus den Strom-Spannungs-Kurven werden die Diffusionskonstanten und die Aktivierungsenergie aus temperaturabhängigen Messungen in Bezug auf das verwendete Alkaliion und das verwendete Substrat ermittelt. Ex-situ erfolgt eine Tiefenprofilierung der durch BIIT bestrahlten Proben. Durch die geringe Dicke der Polymerfilme kann erstmalig die Ausbildung einer Alkaliion beinhaltenden Interphase, analog zur SEI (engl. solid electrolyte interphase), als Resultat der Neutralisation der Alkaliionen an der Rückseitenelektrode via ToF-SIMS betrachtet werden. Daneben werden in dieser Arbeit die Einflüsse auf die Strom-Spannungs-Kurven durch den Wechsel des Substratmaterials und den Wechsel des Emitterions hinsichtlich der elektrochemischen Beschreibung des BIIT Experiments und gemäß ihrer unterschiedlichen Diffusionskonstanten diskutiert. Durch die Kopplung von BIIT und anschließender ToF-SIMS Tiefenprofilierung können gezielt die Mischbarkeiten bzw. Unmischbarkeiten von Metall-Metallsystemen untersucht werden. Für die (PAH/PSS)n-Schichten werden in dieser Arbeit dickenabhängige und temperaturabhängige Leitfähigkeitsstudien mittels BIIT aufgezeigt und in Hinblick auf die Präparationsmethode diskutiert.


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