Elektrochemische Synthese von Gallium- und Indium-Nanopartikeln und -Nanoröhrchen in Ionischen Flüssigkeiten

Zahlbach, Janine GND

Nanostrukturierte Halbleitermaterialien, die häufig als Legierungsbestandteil Gallium und Indium enthalten, haben aufgrund ihrer Eigenschaften in den letzten Jahren an großer Bedeutung gewonnen. Sie werden bspw. in der Halbleiterelektronik (Widerstände, Transformatoren), in der Unterhaltungselektronik (Smartphone, Fernseher) sowie in der Photovoltaik eingesetzt. Vorteile der elektrochemischen Herstellung von Gallium- und Indium-Nanostrukturen in Ionischen Flüssigkeiten (ILs) gegenüber den herkömmlichen Methoden sind der relativ geringer apparative Aufwand, geringe Kosten sowie die Möglichkeit, dünne Schichten und verschiedene Nanostrukturen zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden Gallium- und Indium-Nanostrukturen elektrochemisch aus MCl3-IL-Lösungen (M = Ga bzw. In) abgeschieden und mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht. Schwingungsspektroskopische Analysen weisen auf eine Komplexierung des Metallions mit dem IL-Anion als [MCl3Anionx]x- (x = 1-3) hin. Die zyklovoltammetrischen Untersuchungen der MCl3-Elektrolyte zeigen einen einstufigen Reduktionsprozess von M3+ zu M0, wobei die verwendete Elektrode und die IL das elektrochemische Verhalten stark beeinflussen. Bei metallischen Arbeitselektroden (Au, Pt, Cu) wird im Gegensatz zu HOPG bzw. ITO die Bildung von Legierungen beobachtet. Für die elektrochemischen Gallium- und Indiumabscheidungen kann der Einfluss verschiedener Parameter (IL, Elektrodenmaterial, Abscheidedauer, -potential, Elektrolyttemperatur) auf die Morphologie der Abscheidungen belegt werden. Während bei Indium sehr unterschiedliche Strukturen – plättchen-, kugel- und nadelförmige Partikel, pyramidale und sargförmige Strukturen – entstehen, nimmt Gallium bevorzugt sphäroidale Gestalt (Ø = 60 nm – 2,35 μm) an. In Bis(trifluorsulfonyl)imid-basierten (FSI) ILs werden hingegen stark agglomerierte, sehr kleine Ga-Polyeder abgeschieden (Ø < 60 nm). Als ein möglicher Grund für die Ga-Sphäroidbildung wird in der Literatur die Interkalation von Metallatomen der Arbeitselektrode in flüssig abgeschiedenes Gallium (�������� = 29,78 °C) diskutiert. Dies kann jedoch durch die sphäroidalen Abscheidungen auf HOPG und ITO widerlegt werden. EDX-Analysen zeigen häufig einen hohen Sauerstoffanteil der Abscheidungen, der auf eine Oberflächenoxidation des Galliums bzw. Indiums zurückzuführen ist. Der hohe Schmelzpunkt von Ga2O3 (�������� = 1725 °C) könnte eine mögliche Ursache für die Erstarrung von eventuell flüssig abgeschiedenem Gallium sein. Des Weiteren werden templategestützte Verfahren für das gerichtete Wachstum von Nanostrukturen eingesetzt. Mittels goldbeschichteter Polycarbonattemplate können Ga- und In-Nanodrähte bzw. -Nanoröhren hergestellt werden, wobei der Porendurchmesser (100 – 400 nm) und die MCl3-Konzentration maßgeblich für die Struktur verantwortlich sind. Höhere MCl3-Konzentrationen sowie kleinere Porendurchmesser führen zu Nanodrähten. Makroporöse zwei- und dreidimensionale Gallium- und Indiumstrukturen sind über ein polystyrengestütztes Templateverfahren (PS-Sphäroide, Ø = 616 nm) zugänglich. Dabei stellen sich FSI-basierten ILs als besonders geeignete Elektrolyten für die Herstellung makroporöser Strukturen heraus. Neben dem sonst konstant angelegten Potential während der Abscheidung hat sich für die Herstellung makroporöser Strukturen die Chronopotentiometrie als erfolgreiche Methode herausgestellt. Mit dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass die Morphologie von Gallium- und Indium-Nanostrukturen gezielt durch Wahl geeigneter Parameter und unter Verwendung von Templaten elektrochemisch gesteuert werden kann.

Nanostructured semiconductor materials, which often contain gallium and indium as alloying components, have gained great importance in recent years due to their properties. They are used, for example, in semiconductor electronics (resistors, transformers), in consumer electronics (smartphones, televisions) and in photovoltaics. Advantages of the electrochemical fabrication of gallium and indium nanostructures in ionic liquids (ILs) compared to conventional methods are the relatively low equipment requirements, low costs as well as the possibility to realize thin films and different nanostructures. In this work, gallium and indium nanostructures are electrochemically deposited from MCl3-IL solutions (M = Ga and In, respectively) and investigated by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Vibrational spectroscopic analyses indicate complexation of the metal ion with the IL anion as [MCl3Anionx]x- (x = 1-3). Cyclic voltammetric studies of MCl3 electrolytes show a one-step reduction process from M3+ to M0, where the used electrode and the IL strongly influence the electrochemical behaviour. For metallic working electrodes (Au, Pt, Cu), in contrast to HOPG or ITO, the formation of alloys is observed. For the electrochemical gallium and indium deposits, the influence of different parameters (IL, electrode material, deposition time, deposition potential, electrolyte temperature) on the morphology of the deposits can be shown. While different structures – platelet-, spherical- and needle-shaped particles, pyramidal and coffin-shaped structures - are formed in indium, gallium preferentially accrues in a spheroidal shape (Ø = 60 nm - 2.35 μm). In bis(trifluorosulfonyl)imide-based (FSI) ILs, on the other hand, highly agglomerated, very small Ga polydedron are deposited (Ø < 60 nm). Intercalation of metal atoms of the working electrode into liquid deposited gallium (𝑇𝑀𝑃 = 29.78 °C) is discussed in the literature as a possible reason for Ga spheroid formation. However, this can be refuted by the spheroidal depositions on HOPG and ITO. EDX analyses often show a high oxygen content of the deposits, which can be attributed to surface oxidation of the gallium or indium. The high melting point of Ga2O3 (𝑇𝑀𝑃 = 1725 °C) could be a possible cause for the solidification of possibly liquid deposited gallium. Furthermore, templated processes are used for the directed growth of nanostructures. Using gold-coated polycarbonate templates, Ga and In nanowires and nanotubes, respectively, can be fabricated, with the pore diameter (100 - 400 nm) and MCl3 concentration being largely responsible for the structure. Higher MCl3 concentrations as well as smaller pore diameters lead to nanowires. Macroporous two- and three-dimensional gallium and indium structures are accessible via a polystyrene-based template process (PS spheroids, Ø = 616 nm). Here, FSI-based ILs turn out to be particularly suitable electrolytes for the fabrication of macroporous structures. In addition to the otherwise constant applied potential during deposition, chronopotentiometry has proven to be a successful method for the fabrication of macroporous structures. With this work it can be shown that the morphology of gallium and indium nanostructures can electrochemically be controlled in a targeted manner by choosing suitable parameters and using templates.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Zahlbach, Janine: Elektrochemische Synthese von Gallium- und Indium-Nanopartikeln und -Nanoröhrchen in Ionischen Flüssigkeiten. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export