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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-29958
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2009/2995/


Synthesis, characterization and physical properties of metal borides

Synthese, Charakterisierung und physikalische Eigenschaften von Metallboriden

Fofanov, Denis

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Elektrische Leitfähigkeit , Superparamagnetismus , Nanopartikel , Bor , Strontium , Calcium
Freie Schlagwörter (Deutsch): Erdalkalimetall Hexaboriden , Eisenborid Nanopartikel
Freie Schlagwörter (Englisch): Alkaline earth metal hexaborides , conductivity , Nanoparticles of iron borides , magnetic properties
Basisklassifikation: 35.22
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Albert, Barbara (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.07.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 06.03.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Hexaboride CaB6 and SrB6 untersucht. Die elektronischen Verhältnisse in bivalenten Hexaboriden sind bis heute nicht vollständig verstanden. Es wird jedoch angenommen, daß sich Bandlücke und Leitfähigkeit leicht von Konzentration und Art der Verunreinigungen beeinflussen lassen.
Hochreine Proben von CaB6 und SrB6 wurden hergestellt. Die Synthesen wurden mit Hilfe einer in der Arbeitsgruppe aufgebauten Metalldestillationsanlage optimiert. Die Hexaboride wurden charakterisiert.
Die Leitfähigkeit von CaB6 wurde bei tiefen Temperaturen mittels Gleichstrom-Vierpunktkontaktmethode, bei hohen Temperaturen durch Niederfrequenzwechselstrom-Vierpunktkontaktmethode bestimmt. Für diese Messungen wurde die Meßanlage entworfen und aufgebaut. Alle untersuchten CaB6-Proben zeigten halbleitendes Verhalten.
Die Verunreinigungen im Spurenmaßstab in den SrB6-Proben wurden mit ICP-OES bestimmt. Nach Optimierung der Synthese konnten der Gewichtsanteil der Verunreinigungen (ohne Ca und Ba) auf 0,1 - 0,01 % gesenkt werden. Die elektrischen Eigenschaften von SrB6 wurden mittels Hochtemperatur-Niederfrequenzwechselstrom-Vierpunktkontaktmethode untersucht. Sämtliche Proben erwiesen sich als Halbleiter, wobei die Größe der Bandlücke von Konzentration und Art der Verunreinigungen abhängig ist. Die Bandlücke von absolut reinem SrB6 kann auf etwa 0,073 eV extrapoliert werden.

Im zweiten Teil wurden Nanoteilchen von Eisenboriden, die für potentielle Anwendungen in der Medizin und als magnetische Speichermaterialien besonders interessant sind, synthetisiert und charakterisiert. Nanoteilchen von Eisenboriden sind für potentielle Anwendungen in der Medizin und als magnetische Speichermaterialien besonders interessant.Auf verschiedenen Syntheserouten wurden unterschiedliche Arten von Nanoteilchen hergestellt:
- agglomerierte Eisenboride mit aktiver Oberfläche für Katalyseexperimente,
- amorphe, isolierte Eisenboridnanoteilchen mit Durchmessern von 5 bis 20 nm,
- kristalline, isolierte Eisenboridnanoteilchen mit Durchmessern von 3 bis 12 nm.
Die Proben wurden charakterisiert.
Alle Arten von Nanoteilchen erwiesen sich als luftempfindlich, wobei der Oxidationsprozeß für die isolierten Teilchen aufgrund der die Oberfläche bedeckenden Ligandenhülle wesentlich langsamer ablief.
Die magnetischen Eigenschaften kristalliner, oxidierter und nicht oxidierter Nanoteilchen verschiedener Durchmesser wurden untersucht. Abhängig von der Größe sind die Teilchen entweder superparamagnetisch oder ferromagnetisch. Nicht oxidierte Eisenboridnanoteilchen dürften gegenüber Eisenborat- oder Eisenoxidteilchen aufgrund höherer magnetischer Momente und „Blocking temperature“ noch vielversprechender für mögliche Anwendungen sein. Oxidierte, bei Raumtemperatur superparamagnetische Nanoteilchen werden in der Medizin bereits angewandt.
Kurzfassung auf Englisch: In the first part of this thesis, the hexaborides CaB6 and SrB6 were investigated. Till today, the electronic situation of divalent hexaborides is not properly understood. It is assumed, that these compounds are semiconductors with a small band gap, but with a conductivity behaviour easily affected by nature and concentration of impurities.
CaB6 and SrB6 samples of high purity were prepared. The synthesis was optimised using a metal distillation plant specifically constructed for this purpose. Both compounds were characterised. The conductivity of CaB6 was studied at low temperatures by direct current four-point-probe method and at high temperatures by low-frequent alternating current four-point-probe method. For these measurements the instrument was constructed. All the investigated CaB6 samples exhibited semiconducting behaviour.
The traces of impurities in SrB6 samples were characterised using the ICP-OES method. After synthesis optimisation the amount of impurities (except Ca and Ba) was reduced to 0.1 - 0.01 weight percent. The electronic properties of SrB6 were investigated by low-frequent alternating current four-point-probe method. All the samples show semiconducting behaviour, but the magnitude of band gap depends on the dopant state. The band gap of pure SrB6 can be estimated to be about 0.073 eV.

In the second part nanoscale iron borides, which are interesting for magnetic storage and applications in medicine, were synthesised and characterised.
Using different synthesis routes, the following kinds of particles were obtained:
- agglomerated iron borides with free active surface, suitable for catalytic experiments,
- separate amorphous iron boride nanoparticles sized from 5 to 20 nm,
- separate crystalline iron boride nanoparticles sized from 3 to 12 nm.
The nanoparticles were characterized. All boride nanoparticles were found to be air-sensitive, in case of the separate nanoparticles the oxidation is slower due to a protecting shell of organic ligands on the surface remaining from synthesis.
The magnetic properties of crystalline nanoparticles both oxidised and not oxidised, were investigated. They were found to be either superparamagnetic or ferromagnetic, depending from size. The non-oxidised iron boride particles look much more perspective for possible technical applications than oxidised particles, i. e. iron borates, or even usually used iron oxides because of higher blocking temperatures and magnetic moments. The oxidised particles are superparamagnetic at room temperature and could be applied in medicine where similar materials are already in use.

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