d Chemical Vapor Deposition (CVD)

Transkript

1 d Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahrensprinzip chemical vapor deposition : Abscheidung aus der Gasphase Verwandte Verfahren

2 d Chemical Vapor Deposition (CVD) Prozessablauf CVD: Bildung eines Kupfer-Nanofilms auf einem Substrat Schema hot-wall-reactor Schema cold-wall-reactor

3 d chemical vapor deposition (CVD) CVD von Al-Schichten aus Al i Bu 3 T niedrig saubere Oberfläche T hoch Verunr. durch C CVD von Al-Schichten aus Me 3 N-AlH 3

4 d chemical vapor deposition (CVD) Herstellung von Diamant-Schichten

5 d chemical vapor deposition (CVD) Diamantfilme Unterschiedliche Morphologien kommen durch unterschiedliche Gasdrücke bei der Synthese zustande Unterschiedliche Morphologien kommen durch unterschiedliche Synthesetemperaturen zustande

6 Koagulation am isoelektrischen Punkt Koagulation durch Elektrolytzugabe V Sol-Gel-Prozesse Koagulation durch Zentrifugieren Koagulation durch Absc hirmung Koagulation durc h Entzug des LM

7 2/3 Hydrolyse/ Kondensation 4/5 Gelbildung/ kristalline Struktu 6 Alterung von Gelen 8 Trocknung 9 Aerogel/Xerogel 10 Oberflächenmodifizierung 11 Sinterung 12 Keramiken 13 Beschichtung Unterschied zwischen Gel und Niederschlag

8 Kenzeichen von Gelen - geringe mechanische Stabilität - mindestens zweiphasig - gleiche Dichte wie das Sol - weitmaschiges Netzwerk der festen Phase - Zwischenräume gefüllt: a) Wasser Hydrogel b) Alkohol Alkogel c) Gas AerogelXerogel Kondensation zweier Silica-Partikel

9 Zetapotential (mv) Zetapotential Viskosität ph-wert Viskosität (mpas) Die Gelbildung erfolgt nur bei bestimmten ph-werten, bei denen sich die Teilchen so nahe kommen, dass eine Reaktion eintreten kann Beispiel: Zetapotential und Brookfield- Viskosität gegen den ph-wert eines Al 2 O 3 -Sols der Konzentration 0,95 mol/l

10 Abhängigkeiten der Sol-Stabilität von Silica Gelierungszeiten in Abhängigkeit des ph-wertes bei unterschiedlichen SiO 2 - Konzentrationen des Sols Zetapotential [mv] ph-wert ph-abhängiges Zetapotential von Silica

11 Kondensierter Bereich von Silica-Partikeln unterschiedlicher Größe Bindung zwischen feinen Partikeln ist relativ gesehen fester je feiner die Teilchen um so stabiler sind die Gele Bauprinzip eines Gel- Netzwerkes

12 c Sol Gel - Prozess Site Percolation in einem rechteckigen Gitter; dargestellt sind verschiedene Clustergrößen für drei unterschiedliche Werte von p. Bei p = 0,75 ist ein das komplette Gitter umspannender Cluster, also ein Gel, vorhanden.

13 Ausbildung eines Netzwerkes beim Gelieren Aggregate, Agglomerate und Netzwerke Aggregate: irreversibel Agglomerate: reversibel Netzwerk: labil

14 Gelgehalt (M.-%) Gelgehalt Zeit (h) Zunahme des Gelgehaltes von Silica mit der Zeit (70 C unter Zugabe von Ca(NO 3 ) 2 Viskosität (mpas) C 0 52,5 55,0 57,5 60,0 62,5 65,0 67,5 70,0 72,5 75,0 Gelgehalt (M.-%) Änderung der Viskosität mit dem Gelgehalt von Silica (70 C, Zugabe von Ca(NO 3 ) 2

15 Xerogel/ Aerogel Xerogel: Verdampfen des LM unter Schrumpfen oder Zusammenbrechen des Netzwerkes Aerogel: Abgabe des LM unter vollständigem Erhalt der Netzwerkstruktur (überkritischer Zustand) Zusammenhang zwischen Teilchengeometrie und Gelstrukturen a) Kugelnetzstruktur b) Blättchenstruktur c) Stäbchenstruktur des Gels

16 V Sol-Gel Prozesse CaCO 3 -Aerogel, CaCO 3 -Xerogel und CaCO 3 -Nanopartikel durch Sol-Gel- Umwandlung von Ca-di(methylcarbonat) Reaktionsschema: + 2CO 2 + H 2 O CaO + 2CH3OH Ca(OCH 3) 2+ H2O Ca(OCOOCH 3 ) 2 CaCO 3 + CH3OH Sol/Alkogel CaO in MeOH suspendiert ph Reaktion Filtration Rückstand CO 2 L Filtration Sol Gelierung Gel überkritische Trocknung mit CO 2 CaCO 3 Aerogel CaCO 3 Nanopartikel Alterung Trocknung an Luft CaCO 3 Xerogel

17 V Sol-Gel Prozesse CaCO 3 -Alkogel ESEM-Bild des CaCO 3 -Aerogels CaCO 3 -Aerogel nach überkritischer Trocknung

18 V Sol-Gel Prozesse 100 nm CaCO 3 -Primärpartikel (Ø 1-5 nm!) TEM-Bild von CaCO 3 Nanopartikeln REM-Bild von 500 nm CaCO 3 Nanopartikeln

19 Beschichtung Xerogel: Verdampfen des LM unter Schrumpfen oder zusammenbrechen des Netzwerkes Aerogel: Abgabe des LM unter vollständigem Erhalt der Netzwerkstruktur (überkritischer Zustand)

20 Temperaturbehandlung von geordneter SiO 2 -Schicht: a) Innere Schicht, Ausgangszustand b) Mittlere Schicht (erhöhte Temperatur), teilweise Koaleszenz der Teilchen c) Äußere Schicht (hohe Temperatur), Teilchen sind weitgehend zusammengewachsen

21 Anwendungen des Sol-Gel-Verfahrens: anorganische Beschichtungen - reaktive Oxide (z.b. reine Zementklinkerphasen) - Keramiken - keramische Schichten auf temperaturempfindlichen Oberflächen - Gläser - Herstellung von Kieselgelen (Adsorber, Chromatographie, Träger für Katalysatoren usw.) hohe Homogenität und geringe Partikelgröße bei Festkörperreaktionen

22 : Herstellung von Zementklinkerphasen Wasser kolloidales Teilchen Netzwerk Wasser+ gelöste Nitrate + Ca(NO ) ph-wert 3 2 Sol Hydrogel Netzwerk mit Nitraten Luft Klinkerphase T - H2O Xerogel T Zersetzung Ca(NO ) 3 2 reine Klinkerphase

23 Herstellung von 3-D Arrays aus kolloidalen Primärpartikeln A) Sedimentation im Schwerefeld einfachste Mittel sehr langwierig (Wochen bis Monate) kaum steuerbar keine Kontrolle der Gitterstruktur große Dichtedifferenz, Partikel > 0,5 µm B) Kristallisation bei elektrostatischer WW hochgeladene Kolloide spontane Selbstorganisation (kolloidale Kristalle) Struktur konzentrationsabhängig (su) C) Physikalisch kontrollierte Kristallisation

24 Dicht gepackte Polystyrol-Teilchen (links) Kristallgitter aus Nanoteilchen Kompaktes Silica (Mitte); A) durch Flockung B) durch Sedimentation

25 Dicht gepackte SiO 2 -Partikel mit verschiedenen Netzebenen

26 Bragg-Gleichung Wegdifferenz BD + DC = 2 * d hkl * sin θ = n * λ

27 Photonische Kristalle Partikelgröße in nm A) Kontrolliert kristallisierte PS-Partikel unterschiedlicher Größe B) UV-Vis-Spektrum der verschiedenen Regionen in A C) Linearer Zusammenhang zwischen Absorptionsmaximum und PS-Größe

28 Opaleszenz geordneter Strukturen von Nanoteilchen Farbenspiel eines Opals REM-Aufnahme eines Opals

29 Opaleszierende Strukturen Opaleszierende Strukturen, erzeugt aus 200 nm Silica-Partikeln (a) und Polymerbeschichteten 200nm-Silica-Partikeln (b); REM-Aufnahme der strukturellen Anordnung der 200 nm-silica-partikel (c)