title: Investigation of the structure correlated ion transport through ultra thin polymer films by BIIT and ToF-SIMS
title: Untersuchungen zum strukturkorrelierten Ionentransport mittels BIIT und ToF-SIMS durch ultradünne Polymerfilme
Creators: name: Wesp, Veronika
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: BIIT
U-I-Kurven
Porosität
Grenzfläche
Leitfähigkeit
Polyelektrolyt
Ladung
Interphase
NIPs
Chemistry and allied sciences
Struktur
current-voltage curve
Parylene
Polymere
Ionentransport
ToF-SIMS
Aktivierungsenergie

description: 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.
description: The central aspect of this thesis
      is the investigation of ultra-thin deposited polymer films in
      the range between 4 nm to 400 nm and its influence on the ion
      transport by varying the thickness of the polymer film, the
      material of the backside electrode and the species of the
      emitted ions. Explicitly, the thermoplastic, surface conform
      and semi crystalline polymer poly-para-xylylene (PPX) and the
      polyelectrolyte multilayer (PAH/PSS)n consisting of layers of
      poly(allylamine hydrochloride) and poly(sodium
      4-styrenesulfonate) are investigated extensively. The
      measurement techniques applied in this work are on the one
      hand the bombardment induced ion transport (BIIT) which has
      been established in the working group of Prof. Dr. Weitzel
      and results in a homogeneous, low-energetic alkaline ion beam
      hitting the polymer surface. On the other hand, ex-situ
      measurements of the bombarded polymer samples are performed
      via time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS)
      in order to obtain space-dependent concentration profiles.
      BIIT technique enables the generation of current-time- and
      current-voltage-curves structural characteristics of the
      samples can be derived from. Time constants τ and the amount
      of inserted charge Q into the PPX-Films can be obtained from
      current-time-curves as a function of the PPX structure and of
      the underlying metallic substrate. In this work the
      differences of samples with non-intermittent pathways (NIPs)
      and samples with no NIPs can be distinguished by different
      behavior of the current-voltage-curves and are visualized by
      ToF-SIMS depth profiling. A linear
      current-voltage-characteristic is obtained if NIPs are
      dominating the sample. If the bulk material of the polymer is
      dominating, a quadratic current-voltage curve can be fitted.
      Furthermore the diffusion constant and the activation energy
      of temperature dependent measurements can be derived from the
      current-voltage-characteristics as a function of the used
      alkaline ion and the used substrate. Ex-situ depth profiling
      with ToF-SIMS on BIIT long-time bombarded samples allows to
      get insight in the concentration distribution within the
      samples. Due to the low extend of the polymer layers the
      formation of an alkali ion interphase, analogous to the solid
      electrolyte interphase (SEI) in batteries, can be observed
      via ToF-SIMS depth profiling for the first time. The
      interphase is formed between the polymer film and the metal
      substrate as a consequence of the alkaline ion neutralization
      at the backside electrode. Further investigations consider
      the behavior of current-voltage-curves as a function of the
      underlying substrate material and the type of emitted ion in
      comparison to the electrochemical description of BIIT
      experiment and the different diffusion coefficients. The
      interconnection of BIIT and ToF-SIMS measurements allows to
      obtain information about miscibility and immiscibility of
      metal-metal-systems. For (PAH/PSS)n systems thickness- and
      temperature-dependent conductivity studies are performed by
      BIIT and discussed as a function of their preparation
      method.