Sven Brunsch

Strukturuntersuchungen zum Einbau von Fremdionen und nanoskaligen Silberteilchen in Silikatgläser mit Hilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 18.07.2000

Abstract
Die Röntgenabsorptionsspektroskopie ermöglicht die Analyse der atomaren Struktur von Kationen-Umgebungen in ionenausgetauschten Gläsern. EXAFS-Experimente zeigten Relaxationen der Glasmatrix nach dem Einbau von Silberionen unterhalb von TG. Im Gegensatz dazu führte der Einbau von Ionen mit größeren Radien wie K und Rb unterhalb der Glastransformationstemperatur zu einem einfachen Platzwechsel. Eine Erhöhung der Austauschtemperatur hatte dann die Ausbildung von charakteristischen Umgebungen zur Folge.
Die strukturellen Parameter von nanoskaligen Silberteilchen (2,5-6nm) in Silikatgläsern wurden mit Hilfe von temperaturabhängigen EXAFS-Untersuchungen an der Ag K-Kante bestimmt. Die Gitterkonstante der Silberteilchen zeigte eine untypische Gitterdilatation als Folge des Glasabkühlungsprozesses. Der Debye-Waller-Faktor und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Teilchen vergrößerte sich im Vergleich mit dem kompakten Silber. Die Experimente verdeutlichten den Einfluß der Glasmatrix auf die Struktur der eingebauten Silberteilchen.

X-ray absorption spectroscopy makes it possible to identify the local atomic structure around cations in ion-exchanged glasses. EXAFS experiments demonstrate that the substitution of sodium by silver leads to local rearrangements below TG. In contrary to that the incorporation of ions with increased ionic radii as K or Rb leads to a simple replacement of cations at low temperatures. Increasing the exchange temperature, the introduced cations form their own environment that is, however, determined by the soda-lime glass network.
The structural parameters of nanoscale silver particles embedded in a silicate glass matrix have been determined by temperature-dependent EXAFS spectroscopy at the Ag K edge for particles between 2.5 and 6 nm. The lattice parameter of the Ag particles showed an unusual dilatation of the silver structure that is a result of the glass cooling process. Furthermore, an increase was found of the Debye-Waller factors as well as of the thermal expansion coefficient compared with bulk Ag material. The experiments demonstrate that the behaviour of metal particles incorporated into a glass matrix reflects the influence of the surrounding matrix.

Keywords:
EXAFS, Silberteilchen, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Debye-Waller-Faktor, Gläser, Dilatation

EXAFS, silver particles, thermal expansion coefficient, Debye-Waller factor, glasses, dilatation

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis (2-3)
1. Einleitung (4-6)
2. Experimentelle Methoden (7-10)
3. Probenpräparation (11-15)
4. Grundlagen und Auswertung der Röntgenabsorptionsspektren (16-25)
5. Struktur ionenausgetauschter Gläser (26-34)
6. Temperaturbehandlung Ag/Na-ionenausgetauschter Gläser (35-40)
7. Silberteilchen in der Glasmatrix (41-77)
8. Interpretation der EXAFS-Experimente an Silberteilchen in einer Glasmatrix (78-85)
9. Zusammenfassung (86-88)
10. Literaturverzeichnis (89-91)