Synthese mesoporöser Übergangsmetalloxidfilme mit vertikal zur Oberfläche orientierten Zylinderporen durch Selbstorganisation amphiphiler Template und deren kontrollierte Grenzflächennukleation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die vorliegende Arbeit widmete sich der Synthese selbstorganisierter Materialien in Form dünner Filme mit vertikal zur Oberfläche orientierten Zylinderporen. Seit hunderten von Jahren nutzen die Menschen Gussverfahren zur Herstellung fester Körper aus formlosen Stoffen. Diese Verfahren kommen zum Einsatz wenn die Darstellung spezieller Bauteile durch andere Fertigungsarten nicht möglich oder zu kostenintensiv ist. Im Jahre 1992 haben Wissenschaftler erstmals gezeigt, dass dieser Ansatz auch auf Materialien mit Strukturen übertragen werden kann, die kleiner als 100 nm sind. Die Einfachheit dieser Methode führte dazu, dass sich die Templatierung selbstorganisierter Systeme zu einem etablierten Verfahren für die Synthese poröser Materialien entwickelte. Beschränkte man sich früher hauptsächlich auf die Herstellung nanoskaliger SiO2- Systeme, so konzentrieren sich die Untersuchungen heute zunehmend auf die Erforschung verschiedener Metalloxide und der Manipulation bekannter Porenorientierungen. Die Nutzung der Porosität und der damit verbundenen physikochemischen Eigenschaften des umgebenden anorganischen Materials setzt jedoch eine präzise Kontrolle der Porenzugänglichkeit voraus, die unter anderem durch eine vertikale Orientierung kreis- oder ovalzyllndrischer Poren erreicht werden kann. In diesem Projekt konnte eine solche Ausrichtung erstmals ohne die Verwendung externer Kraftfelder und lithographischer „top-down"-Verfahren realisiert werden. Die Herstellung der Filme erfolgte durch ein spezielles Tauchverfahren, dem so genannten „dip-coating". Bei dieser, auch großtechnisch angewendeten Methode, nutzt man den Sol-Gel-Prozess eines anorganischen Precursors in Kombination mit der verdampfungsinduzierten Selbstorganisation eines strukturgebenden Templats. Die vertikale Porenorientierung wurde durch die Beschichtung von kubisch mesostnJkturierten Filmen mit geringer Oberflächenrauhigkeit (< 1 nm) erreicht. Auf nicht-strukturierten Substraten erhält man immer eine parallele Ausrichtung der gebildeten Zylindermizellen, da der Teil des Amphiphils, der eine ähnliche Polarität wie das Substrat selbst besitzt, adhäsiv an die Grenzfläche bindet. Die den Filmen zugrundeliegende hexagonale Oberflächenstruktur reguliert somit die Polarität/Benetzbarkeit auf der Nanometerebene und steuert dadurch die Wechselwirkung des darauf abgeschiedenen Materials mit der Grenzfläche. Die Synthese der Filme mit vertikal zur Oberfläche orientierten Zylinderporen erfolgte demnach durch kontrollierte Grenzflächennukleation eines geeigneten Templats unter Verwendung maßgeschneiderter Substrate mit periodischen Oberflächenpotentialen. Zusammenfassend konnte das Projekt zu einem besseren Verständnis des EISA-Prozesses und der Beeinflussung lyotroper Phasen beitragen. Der neue Ansatz ermöglicht nicht nur eine gezielte Manipulation der Porenorientierung, er ist im Gegensatz zu anderen Verfahren auch auf beliebige flache Substrate übertragbar. Auf Grund bereits veröffentlichter Ergebnisse in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Materials, erweckte das Projekt in den fachbezogenen akademischen Kreisen bereits großes Interesse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Ordered Mesoporous Silicon through Magnesium Reduction of Polymer Templated Silica Thin Films" Nanoletters 2008, 8, 3075-3079
Richman, E.; Kang, C.; Brezesinski, T.; Tolbert, S. H.
- "Vertically Oriented Hexagonal Mesoporous Films Formed Through Nanometre-Scale Epitaxy" Nature Materials 2008, 7, 712-717
Richman, E.; Brezesinski, T.; Tolbert, S. H.
