Selektive Abscheidung von Gold via CVD

Transkript

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2 Selektive Abscheidung von Gold via CVD Carsten Brandt Vortrag im Rahmen des Forschungspraktikums Betreuer: PD Dr. Andreas Terfort Institut für Anorganische und Angewandte Chemie Universität Hamburg

3 Problemstellung Selektive Beschichtungen: ortsselektiv - bei der Generierung feiner Oberflächenstrukturen

4 Problemstellung Selektive Beschichtungen: orts- bzw. strukturselektiv - bei der Generierung feiner Oberflächenstrukturen - für die Mikrofluidik (Mikropumpen etc.) schaltbare Oberflächen

5 Problemstellung Beschichtungstechniken - Aufdampfen, Sputtern - elektrolytisches Abscheiden - Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt) Tauchbad, Sprühtechniken etc.

6 Problemstellung Beschichtungstechniken für Glaskapillaren? - Aufdampfen, Sputtern - elektrolytisches Abscheiden - Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt) Tauchbad, Sprühtechniken etc. - Rinnen beschichten und erst anschließend zusammensetzen Fuge bleibt zurück

7 Problemstellung Beschichtungstechniken für Glaskapillaren - Aufdampfen, Sputtern mit metallischem Gold? - elektrolytisches Abscheiden - Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt) Tauchbad, Sprühtechniken etc. - Rinnen beschichten und anschließend erst zusammensetzen Fuge bleibt zurück

8 Problemstellung Beschichtungstechniken für Glaskapillaren - Aufdampfen, Sputtern mit metallischem Gold? - elektrolytisches Abscheiden - Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt) Tauchbad, Sprühtechniken etc. - Rinnen beschichten und anschließend erst zusammensetzen Fuge bleibt zurück

9 Problemstellung Lösung: CVD Chemical Vapor Deposition Precursor wird -verdampft - an die gewünschte Position gebracht - chemisch verändert (zersetzt)

10 Problemstellung CVD Precursor: Trimethylphosphin-gold-methyl 2 (CH 3 ) 3 PAuCH 3 2 Au + C 2 H (CH 3 ) 3 P

11 Synthese des Precursors 1. Darstellung von Kaliumtetrabromoaurat Au + 3/2 Br 2 + KBr KAuBr 4 2. Reduktion von Gold(III) zu Gold(I) KAuBr 4 + SO H 2 O KAuBr HBr + H 2 SO 4

12 Synthese des Precursors 3. Darstellung von Trimethylphosphan H H H C Br+ Mg H C MgBr H H O P O O + 3 H H C H MgBr CH Bu 2 O P H 3 C CH 3 O MgBr

13 Synthese des Precursors 4. Darstellung von Trimethylphosphangoldbromid KAuBr 2 + P(CH 3 ) 3 (CH 3 ) 3 PAuBr + KBr 5. Ligandenaustausch Br gegen Me (CH 3 ) 3 PAuBr + CH 3 Li (CH 3 ) 3 PAuCH 3 + LiBr 6. letzte Reinigung durch Sublimation autokatalytische Zersetzung nur 62% Ausb.

14 Eigenschaften des Precursors - hoher Dampfdruck (Sublimation bei C bei 1 Pa) - bei Raumtemperatur relativ stabil - Zersetzung in Gold und flüchtige Bestandteile akzeptable Reinheit der Goldschicht - geringe Zersetzungstemperatur - autokatalytische Zersetzung

15 Substrat-Vorbereitungen Vorbehandlung der Objektträger - Reinigung der Objektträger mit Tensidlösung - Behandlung mit Schwefelsäure / H 2 O 2 - gründliches Spülen mit dest. Wasser - für 10 Minuten in siedende Lösung aus 4% MPS, 4% Wasser in Isopropanol tauchen - Trocknen bei 100 C

16 MPS Mercaptopropyl-trimethoxysilan S H CH 2 CH 2 CH 2 H 3 CO Si OCH 3 OCH 3

17 MPS Mercaptopropyl-trimethoxysilan S H CH 2 CH 2 CH 2 O Si O O

18 MPS Mercaptopropyl-trimethoxysilan S CH 2 CH 2 CH 2 O Si O O

19 MPS - SAM Mercaptopropyl-trimethoxysilan bildet auf Glas selbst-anordnende Monoschichten: Self-Assembling Monolayers

20 CVD-Anlage - Version 1.02 zur Beschichtung flacher Substrate Substrat Vakuum Präparate-Glas mit Au-Precursor 1cm Aluminiumplatte mit Silikonbeschichtung zur Abdichtung

21 CVD-Anlage - Version 1.02 zur Beschichtung flacher Substrate

22 CVD-Anlage - Version 1.02 zur Beschichtung flacher Substrate

23 CVD-Ablauf - ca mg (CH 3 ) 3 PAuMe in Präp.-Glas - Substrat plazieren - Vakuum anlegen - Heizen Vakuum Präparate-Glas mit Au-Precursor Substrat 1cm Aluminiumplatte mit Silikonbeschichtung zur Abdichtung

24 Ergebnisse der Vorversuche Gold bzw. Precursor schlägt sich überall nieder Silikon-Dichtmasse enthält Platin- Katalysator intensive weinrote Färbung Gold-Nanopartikel im Silikon - außer auf dem Objektträger.

25 Herdentrieb des Goldes? - MPS-Beschichtung (freie Thiol-Gruppe) reicht nicht zur Abscheidung eines Goldfilms - Mögliche Lösung: Nanopartikel als Kristallisationskeime

26 Synthese der Nanopartikel 7. Palladium-Nanopartikel Pd(II)-acetat + 0,025 äq. Tetraoctadecylammoniumbromid in abs. THF + 18 äq. abs. Ethanol 12 Stunden bei 65 C rühren N Br

27 Nanopartikel

28 Nanopartikel

29 Nanopartikel

30 Ergebnisse der Vorversuche XPS-Spektrum der gebundenen Pd-Nanopartikel Counts Energie [ev]

31 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - bis ca. 75 C glatter, gut haftender Goldüberzug

32 Ergebnisse der Vorversuche XPS-Spektrum der erhaltenen Goldoberfläche Counts Ene r gie [e V ]

33 Ergebnisse der Vorversuche XPS-Spektren-Vergleich rel. Intens Energie [ev]

34 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - bis ca. 75 C glatter, gut haftender Goldüberzug 10µm

35 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - bis ca. 75 C glatter, gut haftender Goldüberzug 1µm

36 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - bis ca. 75 C glatter, gut haftender Goldüberzug 200nm

37 Micro Contact Printing MPS gestempelt, Pd-Partikel-Tauchbad, CVD bei 70 C Goldfilm zunächst nur auf gestempelter Fläche feine Strukturen erkennbar

38 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - ab ca. 90 C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

39 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - ab ca. 90 C matt-rötlicher, kaum haftender Belag 2µm

40 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - ab ca. 90 C matt-rötlicher, kaum haftender Belag 200nm

41 Ergebnisse der Vorversuche Temperaturabhängige Oberflächenänderung - ab ca. 90 C matt-rötlicher, kaum haftender Belag 1µm

42 Wohin soll das führen? Lotus-Effekt = hydrophobe und extrem rauhe Oberfläche

43 Oberflächenspannung Θ Hydrophil

44 Oberflächenspannung Θ Hydrophob

45 Wenzel-Theorie

46 Schalten der Oberflächenspannung M M M M M M -n e - + n e - S S S S S S Niedrige Oberflächenenergie Hohe Oberflächenenergie = hydrophob = hydrophil

47 Konzept eines Mikrofluidik-Systems Hydrophob Hydrophob Hydrophil Hydrophob Hydrophil

48 Konzept eines Mikrofluidik-Systems

49 Konzept eines Mikrofluidik-Systems

50 100µm Konzept eines Mikrofluidik-Systems

51 100nm Konzept eines Mikrofluidik-Systems

52 Konzept eines Mikrofluidik-Systems Oberfläche (Kontaktwinkel) läßt sich 1x schalten es erfolgt irreversible Veränderung der Oberfläche

53 Versuche mit Kapillaren Kapillare (eingeklebt) Heizmantel zur Vakuumpumpe (verschließbar) zur Vakuumpumpe (Kühlfalle vorgeschaltet) Precursorvorrat fahrbarer Schlitten

54 Versuche mit Kapillaren gereinigte, nicht vorbehandelte Kapillare: - bis 250 C keine Veränderung - nach 1 h bei 300 C rötliche Färbung sichtbar - nach 2,5 h rötlicher Belag an zwei Stellen deutlich sichtbar

55 Versuche mit Kapillaren gereinigte, nicht vorbehandelte Kapillare: 200nm

56 Versuche mit Kapillaren gereinigte, MPS- und Pd-beschichtete Kapillare: - 3,5 h 70 C: Blaufärbung - 3,5 h 80 C: Blaufärbung - 3,5 h 95 C: Blaufärbung - 6,0 h 95 C: zunächst Blau-, später Goldfärbung - 3,5 h 110 C: Blaufärbung - 3,5 h 125 C: Blaufärbung

57 Versuche mit Kapillaren 3,5 h 80 C: Blaufärbung 10µm

58 Versuche mit Kapillaren 6,0 h 95 C: zunächst Blau-, später Goldfärbung

59 Leitfähigkeit 6,0 h 95 C: zunächst Blau-, später Goldfärbung Ω 150 Ω auf 30 mm starke Beschädigungen des Goldfilms

60 Zusammenfassung CVD zur Darstellung verschiedener Goldoberflächen Herstellung extrem rauher Oberflächen Goldfilm in Kapillare leider noch kein geschlossener Film Nächste Ziele Variation der Parameter (mehr Kapillaren in kürzerer Zeit) Stabilisierung der schaltbaren Oberfläche

61 Danke Andreas Terfort AK Terfort Jörn Wochnowski, AK Heck Frau Walter, Institut für Zoologie Andreas Kornowski, AK Weller AK Wiesendanger, Institut für Experimentalphysik