In-situ-Analyse plasmainduzierter Materialmodifikationen an Nanopartikeln für funktionelle Anwendungen

• Antragsteller: Professor Jan Benedikt, Ph.D.; Professor Dr. Franz Faupel, seit 7/2019
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411452476

Das Ziel des Projekts ist es, ein grundlegendes Verständnis von plasmainduzierten Modifikationen kleiner (<<100 nm) Nanopartikel (NP) zu erwerben. Ihre geringe Größe kann zu Quanteneinschlusseffekten führen (sich ändernde elektrische und optische Eigenschaften), ihr hohes Oberfläche-Volumen-Verhältnis macht sie zu kosteneffektiven Kandidaten für katalytische Anwendungen und ihre Plasmonenresonanz kann in plasmonischen Sensoren verwendet werden. Einer der wichtigsten Parameter ist der Zustand ihrer Oberfläche (Oxidation, Passivierung etc.), der ihre Eigenschaften sehr stark beeinflusst. Nichtgleichgewichtsplasmen sind eine etablierte NP-Erzeugungsquelle und Behandlungsmethode mit mehreren einzigartigen Eigenschaften, wie eine enge Größenverteilung von erzeugten NP, selektives Erhitzen oder effektive Oberflächenmodifikationen durch Plasmaabscheidung, Passivierung oder Ätzen. Die Prozesse, die bei der Plasma-NP-Interaktion eine Rolle spielen, werden jedoch nur qualitativ verstanden.Das Projektziel wird durch die Anwendung der in-situ UV-Vis-Absorptionsspektroskopie zur Analyse der NP-Oberflächen-Plasmonenresonanz und der in-situ FTIR-Absorptionsspektroskopie zur Analyse der NP-Oberflächenpassivierung und –modifikation verfolgt. Die NP werden in separaten Plasmaquellen erzeugt, die hinter einem Shutter eines Prozessreaktors montiert sind. Damit können die Auswirkungen verschiedener Plasmabedingungen und der Plasmachemie (Oxidation, Wasserstoffpassivierung oder sogar Abscheidung) auf frisch präparierte NP mit genau definierten Größen und Eigenschaften untersuchen. Die in-situ und zusätzlichen ex-situ Charakterisierungsmethoden ermöglichen das Verständnis der grundlegenden Plasma-NP-Wechselwirkungen und ermöglichen eine Feinabstimmung ihrer Eigenschaften.Ein wichtiger Aspekt ist, dass wir das Plasma nicht als "Black Box" verwenden, sondern systematisch untersuchen, wie verschiedene Plasmakomponenten (Ionen, Radikale etc.) die induzierten Veränderungen an kleinen metallischen (Ag, Al, Ti) oder Halbleiter (Si) NP beeinflussen. Die sorgfältige Analyse der Plasmaeigenschaften unter Verwendung einer Vielzahl von Plasmadiagnostiken (z.B. Langmuir-Sonde (LP), Optische Emissionssp. (OES), Massensp. (MS) etc.) ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Projektes. Die geplante Forschung wird stark von der Kombination der komplementären Materialkompetenz und Plasmaexpertise beider PIs profitieren.Das Erreichen des Ziels dieses Projekts wird es uns ermöglichen, das Potenzial der NP-Plasmabehandlung bei der Herstellung hochwertiger NP voll auszuschöpfen. Die angestrebten Eigenschaften sind z.B. ein exzellentes optisches plasmonisches Verhalten (metallische oder TiN-NP für breitbandige Metamaterialabsorber oder plasmonische Sensoren) oder eine ausgezeichnete Photolumineszenz-Ausbeute und eine kurze Abklingzeit (direktes Bandlückenverhalten) von Silicium-NP, die für den möglichen Einsatz in Si-basierten Lichtquellen oder Solarzellen der 3. Generation konzipiert sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Kooperationspartnerin: Dr. Katerina Herynková
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Oleksandr Polonskyi, bis 7/2019