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Thomas Kraus

• Die Motivation dieser Arbeit ist es einen Beitrag zur sauberen und effizienten Wasserstoffherstellung mittels photoelektrochemischer Wasserspaltung durch TiO2-basierte Systeme zu leisten. Mit dem Konzept photoelektrochemisch aktiver Mehrschichtsysteme in Nano-Plättchen-Geometrie wurde ein neuer Ansatz entwickelt. Dieses Konzept führt die Vorteile von großen 2-Elektroden-Systemen und von Nanopartikeln in Suspension zusammen. Die Nano-Plättchen haben ein sehr hohes Aspektverhältnis von Schichtdicke zu lateraler Plättchengröße. Sie können wie Nanopartikel in die Suspension gebracht werden und biete damit eine sehr große Oberfläche bei minimalem Materialeinsatz. Nano-Plättchen in Suspension sind weiterhin für eine potentielle industrielle Umsetzung leicht skalierbar. Verschiedene Herstellungsverfahren von Nano-Plättchen-Systemen und deren Eigenschaften wurden in dieser Arbeit untersucht. Hierzu wurden Schichtsysteme aus den Halbleitern TiO2 und Si, sowie Ir als Edelmetallschicht und eineDie Motivation dieser Arbeit ist es einen Beitrag zur sauberen und effizienten Wasserstoffherstellung mittels photoelektrochemischer Wasserspaltung durch TiO2-basierte Systeme zu leisten. Mit dem Konzept photoelektrochemisch aktiver Mehrschichtsysteme in Nano-Plättchen-Geometrie wurde ein neuer Ansatz entwickelt. Dieses Konzept führt die Vorteile von großen 2-Elektroden-Systemen und von Nanopartikeln in Suspension zusammen. Die Nano-Plättchen haben ein sehr hohes Aspektverhältnis von Schichtdicke zu lateraler Plättchengröße. Sie können wie Nanopartikel in die Suspension gebracht werden und biete damit eine sehr große Oberfläche bei minimalem Materialeinsatz. Nano-Plättchen in Suspension sind weiterhin für eine potentielle industrielle Umsetzung leicht skalierbar. Verschiedene Herstellungsverfahren von Nano-Plättchen-Systemen und deren Eigenschaften wurden in dieser Arbeit untersucht. Hierzu wurden Schichtsysteme aus den Halbleitern TiO2 und Si, sowie Ir als Edelmetallschicht und eine Opferschicht (z.B. CuO oder ZnO) mittels Magnetronsputtern, Laserdeposition und Elektronenstrahlverdampfen hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass sich Nano-Plättchen aus TiO2 bzw. Nano-Plättchen-Systeme aus TiO2, Si und Ir mittels verschiedenen Opferschichten von einem Siliziumsubstrat ablösen und herstellen lassen. Die Schicht zerbricht dabei, so dass beispielsweise 100 nm dicke TiO2-Schichten laterale Durchmesser zwischen 50 bis 500 µm aufweisen. Weiterhin wurde hydriertes TiO2 in einem in-situ RF-Sputterprozess hergestellt und der Wasserstoffgehalt mittels elastischer Rückstreudetektionsanalyse (ERDA) bestimmt. Hydrierte TiO2 Schichten weißen dabei geringere Bandlücken auf, um einen größeren Bereich des solaren Spektrums für die photokatalytische Reaktion zu nutzen. Außerdem wurden plasmonische Au- und Ag-Nanopartikeln mittels sputtern und nachträglicher Wärmebehandlung dünner Schichten hergestellt. Die unterschiedlichen Nano-Plättchen-Systeme wurden untersucht bzgl. Größe, Morphologie, Kristallstruktur, sowie Diffusion innerhalb der Mehrschichtsysteme. Hierzu wurden Untersuchungen mittels Profilometrie, Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS), Röntgendiffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM EDX), elektrochemischer Analyse, Ellipsometrie, und Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) durchgeführt. Die photokatalytischen Eigenschaften wurden u.a. durch die Zersetzung von Methylenblau untersucht.…
• The motivation of this work is to contribute to clean and efficient hydrogen production via photoelectrochemical water splitting by TiO2-based systems. A new approach has been developed with the concept of photoelectrochemically active multilayer systems in nanoplatelet geometry. This concept brings together the advantages of bulk 2-electrode systems and nanoparticles in suspension. The nanoplatelets have a very high aspect ratio of layer thickness to lateral platelet size. They can be placed in suspension like nanoparticles, providing a very large surface area with minimal material usage. Nano-platelets in suspension are further easily scalable for potential industrial implementation. Different fabrication methods of nanoplatelet systems and their properties were investigated in this work. For this purpose, thin film systems of the semiconductors TiO2 and Si, as well as Ir as a noble metal layer and a sacrificial layer (e.g. CuO or ZnO) were deposited by magnetron sputtering, laserThe motivation of this work is to contribute to clean and efficient hydrogen production via photoelectrochemical water splitting by TiO2-based systems. A new approach has been developed with the concept of photoelectrochemically active multilayer systems in nanoplatelet geometry. This concept brings together the advantages of bulk 2-electrode systems and nanoparticles in suspension. The nanoplatelets have a very high aspect ratio of layer thickness to lateral platelet size. They can be placed in suspension like nanoparticles, providing a very large surface area with minimal material usage. Nano-platelets in suspension are further easily scalable for potential industrial implementation. Different fabrication methods of nanoplatelet systems and their properties were investigated in this work. For this purpose, thin film systems of the semiconductors TiO2 and Si, as well as Ir as a noble metal layer and a sacrificial layer (e.g. CuO or ZnO) were deposited by magnetron sputtering, laser deposition and electron beam evaporation. It was shown that nanoplatelets of TiO2 or nanoplatelet systems of TiO2, Si and Ir can be detached and fabricated from a silicon substrate using different sacrificial layers. The layer breaks in the process, so that, for example, 100 nm thick TiO2 layers have lateral diameters between 50 to 500 µm. Furthermore, hydrogenated TiO2 was prepared in an in-situ RF sputtering process and the hydrogen content was determined by elastic backscattering detection analysis (ERDA). Hydrogenated TiO2 films thereby exhibit smaller band gaps to utilize a wider range of the solar spectrum for the photocatalytic reaction. In addition, plasmonic Au and Ag nanoparticles were prepared by sputtering and subsequent heat treatment of thin films. The different nanoplatelet systems were investigated with respect to size, morphology, crystal structure, and diffusion within the multilayer systems. For this purpose, investigations were carried out by profilometry, Rutherford backscattering spectrometry (RBS), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM EDX), electrochemical analysis, ellipsometry, and secondary ion mass spectrometry (SIMS). The photocatalytic properties were investigated by decomposition of methylene blue and other methods.…