ElektrostatischeRasterkraftmikroskopie und-spektroskopie an nanostrukturiertenIonenleitern

Bernhard Rolinga, Andre Schirmeisenb, HartmutBrachtc, Ahmet Taskiranb, Harald Fuchsb, FrankNatrupc, Sevi Murugavela

a Institut für Physikalische Chemie und Center forNanotechnology (CeNTech), Westfälische Wilhelms-Universität,Corrensstr. 30, D-48149 Münsterb Physikalisches Institut und CeNTech, Westfälische Wilhelms-Universität, Wilhelm-Klemm-Str. 10, D-48149 Münsterc Institut für Materialphysik und CeNTech, WestfälischeWilhelms-Universität, Wilhelm-Klemm-Str. 10, D-48149 Münster

Keywords: Solid electrolytes; Electrostatic force microscopy

Feste Ionenleiter werden als Elektrolyte bei der elektrochemischenEnergieumwandlung in Batterien und Brennstoffzellen sowie in derchemischen Sensorik und der Elektrochromie eingesetzt. Ein hohesAnwendungspotential besitzen insbesondere glasige und polymereElektrolyte, die in Dünnschichtform (Dicke <1 µm) hergestellt wer-den können. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften so-wie der thermodynamischen und der elektrochemischen Stabilitäterfolgt häufig eine zusätzliche Nanostrukturierung. Beispiele sinddie Zugabe von oxidischen Nanopartikeln zu Polymerelektrolyten[1] sowie die Erzeugung von Nanokristalliten in Gläsern [2]. Beider Charakterisierung der Dynamik und des Transportes der be-weglichen Ionen in solchen Materialien stoßen klassische, makro-skopisch mittelnde Messmethoden, wie z. B. Leitfähigkeitsspektro-skopie, Tracer-Diffusionsmessungen und NMR-Relaxationsmetho-den an ihre Grenzen. Benötigt werden Messmethoden, mit denenDynamik mit einer Ortsauflösung im nanoskopischen Bereich un-tersucht werden kann.Eine solche Messmethode stellt die elektrostatische Rasterkraftmi-kroskopie und -spektroskopie dar. Hierbei wird zwischen der zuuntersuchenden Probe und der Spitze eines Rasterkraftmikroskops(AFM) eine elektrische Spannung angelegt, wobei der typische Ab-stand zwischen Spitze und Probe im Bereich 10�20 nm liegt. Die indiesem Fall wirkenden langreichweitigen elektrostatischen Kräfteermöglichen einen „Blick“ unter die Oberfläche ins Volumen derProbe. Durch den radialen Abfall des elektrischen Feldes um dieSpitze erfolgt ein großer Teil des elektrischen Spannungsabfalls ineinem nanoskopischen Teilvolumen der Probe unterhalb der Spitze.Bewegungen von Ladungsträgern in diesem Teilvolumen führen zuÄnderungen der zwischen Spitze und Probe wirkenden Kräfte.Durch örtlich und zeitlich aufgelöste Messung dieser Kräfte kanndaher der Ionentransport auf nanokopischen Längenskalen unter-sucht werden. In Glaskeramiken kann beispielsweise zwischen demschnelleren Ionentransport in der Glasphase und dem langsamerenIonentransport in den Kristalliten unterschieden werden.

[1] G. B. Appetecchi et al., J. Power Sources 2003, 124, 246.[2] St. Adams et al., Solid State Ionics 1996, 86�88, 503.

DOI: 10.1002/zaac.200470017

Z. Anorg. Allg. Chem. 2004, 630, 1697 zaac.wiley-vch.de 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 69451 Weinheim 1697

Spectroscopic Properties of RareEarth Iodides in the Ionic Liquid[C12mim][BTA]Arash Babai, Anja-Verena Mudringa, Sven Arenz,Ralf Giernothb, Peter Nockemannc

a Institut für Anorganische Chemie, Universität zu Köln,Greinstr. 6, D-50939 Kölnb Insitut für Organische Chemie, Universität zu Köln, Greinstr. 4,D-50939 Kölnc Department Chemie, Katholieke Universiteit Leuven,Celestijnenlaan 200F, B-3001 Leuven, Belgium

Keywords: Rare earth; Ionic liquids; Spectroscopy

Ionic liquids are salts that are liquid below 100°C � usually evenbelow room temperature [1]. They have gained great attention du-ring the last few years especially in organic synthesis as they areable to replace conventional solvents. In comparison to these, theyhave many advantages � not only that they have a neglectable va-pour pressure and thus are considered environmentally safe, butbeing salts the cationic as well as the anionic component can bevaried and thus the whole solvent properties can be tailored for aparticular application. It has been shown that e.g. Lewis-acid cata-lysed reactions with trivalent rare earth cations give higher yieldsin ionic liquids than in conventional organic solvents [2]. Still, thesolvation and coordination effects of these solvents are poorly un-derstood. Therefore, we investigated the properties of MI3 (M � Pr,Nd, Dy, Ho, Er and Yb) in [C12mim][BTA] (1-methyl-3-dodecyl-imidazolium-bis(tri-fluoromethane-sulfon)amide) spectroscopi-cally. The triiodides are readily soluble in [C12mim][BTA] and givecharacteristically coloured solutions. These show strong lumines-cences as shown for DyI3/ [C12mim][BTA] in the figures below (left:absorption spectrum, right: emission spectrum).

Handlings of our substan-ces as well as physicalmeasurements are carriedout under inert gas. Ourinvestigations indicatethat the presence of waterleads to reduced intensi-ties and may eventuallycompletely quench theluminescence as pre-viously reported for Eu3�

[3]. Furthermore, thespectroscopic behaviourof the systems MI3/[C12mim][BTA] makesthem interesting forvarious applications, e.g. asnon-hazardous laser dyes.

[1] P. Wasserscheid, T. Welton, Ionic Liquids in Synthesis, Wiley-VCH, Weinheim, 2003.

[2] S. Lee et al., Chem. Commun. 2001, 1698.[3] I. Billard et al., Eur. J. Inorg. Chem. 2004, 1190.

DOI: 10.1002/zaac.200470018