Präparation, Charakterisierung und optische Eigenschaften von Kupfer-Nano-Clustern in Plasmapolymermatrizen

Diplomarbeit von Boris Mahltig

Einleitung:

Die Plasmapolymerisation ist ein Verfahren zur Produktion von dünnen Polymerschichten bis zu 105 nm Dicke. Bei dem Plasmapolymerisationsprozess wird durch das Einwirken eines Plasmas auf gasförmige, organische Moleküle eine Polymerbeschichtung erzeugt. Die so gebildeten Polymerschichten weisen eine komplexe und hochvernetzte Struktur auf.

In den letzten 20 Jahren hat die Plasmapolymerisation einen großen Aufschwung erfahren und sich zu einem Verfahren mit großer technischer Bedeutung entwickelt. Eingesetzt wird die Plasmapolymerisation zur Produktion von wasserundurchlässigen sowie wasserabweisenden Materialien. Weitere Einsatzgebiete finden sich im Korrosionsschutz, in der Herstellung von abriebsmindernden Schichten, Diffusionsbarrieren und elektrisch leitfähigen Schichten.

Im Gegensatz zur Plasmapolymerisation werden Metallcluster schon seit Jahrhunderten genutzt. Die ersten Anwendungen finden sich bereits im Altertum in der Herstellung farbiger Gläser durch Einfärben mit Metallpartikeln.

Auf ein großes wissenschaftliches Interesse stießen die Metallcluster bereits zu Anfang dieses Jahrhunderts. So beschrieb Wo. Ostwald besonders eindrucksvoll 1915 in dem Buch „Die Welt der vernachlässigten Dimensionen" Cluster und ihre Eigenschaften.

Als Cluster werden in der Chemie und Festkörperphysik kleine Teilchen von Metallen und Halbmetallen bezeichnet. Es werden dabei kleine Cluster mit einem Durchmesser bis zu 4 nm von großen Clustern mit einer Größe von 4 bis 100 nm unterschieden. Die Atomanzahl reicht bei kleinen Clustern von weniger als 10 bis zu 500 Atomen. Die großen Cluster, welche auch Kolloide genannt werden, können bis zu 10 Atome beinhalten.

Die Präparation von Clustern aus verschiedensten Metallen in Plasmapolymermatrizen wird in der Literatur ausführlich beschrieben. Ebenso wird von der Einbettung bimetallischer Cluster in Polymermatrizen berichtet.

Besondere Aufmerksamkeit galt vor allem Gold- und Silberclustern, welche sich wie auch Kupfercluster durch die Absorption von Licht im sichtbaren Bereich auszeichnen.

Neben den Kupferclustern in Polymermatrizen ist die Darstellung solcher Cluster auch in Zeolithen, tiefgekühlten Edelgasmatrizen, Lösungen, Gläsern und Micellen möglich.

Die Stärke der Plasmapolymere gegenüber den anderen Matrizen ist, dass unterschiedliche Materialien mit einer bei Standardbedingungen beständigen, festhaftenden und dünnen Polymerschicht überzogen werden können. So lassen sich in Analogie zu farbigen Gläsern, deren Herstellung durch Einlagerung von Gold- und Kupferpartikeln möglich ist, auch farbige Polymerschichten auf verschiedensten Untergrundmaterialien herstellen.

Diese Schichten können als optische Filter oder optische Sensoren für Gase Anwendung finden. Weiterhin werden von Edelmetallclustern in beständigen Matrizen Impulse für die Nichtlineare Optik erwartet.

Neben den Anwendungen in Optik und Sensorik, wird auch an den Einsatz von metallhaltigen Polymerschichten in der Elektronik gedacht. Denn der Vorteil dieser Schichten ist, dass ihre elektrische Leitfähigkeit mit dem Metallgehalt und der Metallpartikelgröße eingestellt werden kann. Solche Schichten können Isolatoren darstellen. Es kann jedoch auch die Leitfähigkeit von Metallen erreicht werden.

Die Einlagerung von Metallclustern stellt somit eine erhebliche Erweiterung des Anwendungsspektrums von Plasmapolymerschichten dar.

Das Ziel dieser Arbeit ist, Kupfercluster in Plasmapolymerschichten darzustellen und zu charakterisieren. Es wird dabei von vorangegangenen Arbeiten mit den Metallen Silber, Gold, Platin und Palladium ausgegangen. Zur Polymerisation werden die silizium-organischen .Monomeren Hexamethydisiloxan HMDSO und Vinyltrimethylsilan VTMS verwendet, welche Plasmapolymere von hoher Härte und thermischer Stabilität bilden können.

Das verwendete Beschichtungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Clusterbildung durch Metallverdampfung und der Plasmapolymerisationsprozess räumlich voneinander getrennt sind. Dies ermöglicht die Herstellung von Kupferclustern mit einer engen Teilchengrößenverteilung.

Die Größenverteilung und die strukturellen Eigenschaften der Kupfercluster sollen mit der Transmissions-Elektronen-Mikroskopie untersucht werden. Mit Hilfe der InfrarotSpektroskopie und der XPS-Spektroskopie wird die Struktur der Polymermatrix charakterisiert.

Die Charakterisierung des Absorptionsverhaltens der kupferhaltigen Polymerschichten im UV/VIS-Bereich soll in Bezug zu theoretischen Modellen für Metall-cluster erfolgen. Daneben sollen die bisher kaum behandelten chemischen Eigenschaften der Kupfercluster im Polymerfilm mit der UV/VIS-Spektroskopie untersucht werden.

So muss auch im Hinblick auf die Zugänglichkeit der Cluster für Gase als potentielle Reaktionspartner die Gaspermeabilität der Polymermatrizen bestimmt werden.

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