Elektrochemische Materialsynthese im Ultrahochvakuum : Elementarschritte der elektrochemischen Abscheidung von Tantal und Niob
Aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität, die in zahlreichen in vivo Studien bestätigt wurde, erfahren Tantal und Niob ein zunehmendes Interesse in der Medizintechnik. Darüber hinaus weist Tantal eine ausgezeichnete Osseointegration, die das Anwachsen von Knochen an ein Implantat bezeichnet, auf, weshalb besonders Anwendungen im Zusammenhang mit Implantaten interessant sind. Da die Vielzahl der Einsatzorte ganz unterschiedliche materielle Anforderungen an das jeweilige Implantat stellt, sind vor allem
Beschichtungen häufig das Mittel der Wahl. Eine leistungsfähige Methode zur Erstellung von Beschichtungen komplexer Geometrien stellt die elektrochemische Abscheidung dar, die für Tantal und Niob kommerziell aus Hochtemperatur-Salzschmelzen bei Temperaturen zwischen 650 und 850 °C erfolgt. Besonders empfindliche Bauteile, wie Stents, können hierbei jedoch strukturelle Änderungen erfahren, weshalb ein derartiges Verfahren ungeeignet ist. Eine vielversprechende Alternative ist die Abscheidung beider Übergangsmetalle aus Ionischen
Flüssigkeiten, bei deren Verwendung erheblich geringere Temperaturen erforderlich
sind. Auf einer NiTi-Legierung, die häufig für Implantate verwendet wird, konnten bereits 1 μm dicke Tantal-Schichten aus 0,25 M LiF und 0,25 M TaF5 in [Py1,4]TFSA abgeschieden werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit erheblich erhöht wurde. Der Prozess der Abscheidung wird jedoch häufig als „nicht einfach“ beschrieben und Abscheidungen, die bei „ungünstigen Bedingungen“ erzeugt werden, enthalten große Mengen Subfluoride. Der zugrunde liegende Mechanismus ist nicht vollständig aufgeklärt, wobei im Falle der Abscheidung von Tantal ein einstufiger bzw. ein zweistufiger Prozess mit der Zwischenstufe TaF3 vermutet wird. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein besseres Verständnis des Mechanismus der elektrochemischen
Abscheidung gewonnen werden. Hierfür wird die vergleichsweise neue Methode der in
situ Röntgenphotoelektronenspektroskopie, die eine Kombination aus elektrochemischer und spektroskopischer Untersuchung der Grenzfläche erlaubt, verwendet. Dadurch können die elektrochemischen Prozesse in einer elektrochemischen Zelle, die mit einem Potentiostaten verbunden ist, unter Ultrahochvakuum-Bedingungen untersucht werden, während zusätzlich
ein Potential an die Zelle gelegt werden kann. Zunächst wird eine in situ Zelle mit 3-Elektrodenanordnung für das vorliegende System entwickelt und auf korrekte Funktion überprüft. Die Schwierigkeit liegt dabei in der permanenten Zugänglichkeit der Elektroden, da die Informationstiefe der Methode lediglich im Bereich einiger Nanometer liegt. Anschließend erfolgt eine kleinschrittige in situ Untersuchung der Reduktionsprozesse sowie begleitend ex situ Untersuchungen der eingesetzten Arbeitselektroden.
Due to their excellent corrosion resistance and biocompatibility, which have been confirmed in numerous in vivo studies, tantalum and niobium are gaining increasing interest in medical technology. Furthermore, tantalum exhibits excellent osseointegration, which refers to the attachment of bone to an implant, making applications related to implants particularly attractive. Since the wide range of application areas places very different material requirements on the respective implant, coatings are often the method of choice. A powerful method for creating coatings with complex geometries is electrochemical deposition, which for
tantalum and niobium is commercially carried out from high-temperature molten salts at temperatures between 650 and 850 °C. However, particularly sensitive components, such as stents, can undergo structural changes in this process, making such a method unsuitable. A promising alternative is the deposition of both transition metals from ionic liquids, which require significantly lower temperatures. Tantalum layers, 1 μm thick, have already been deposited on a NiTi alloy, commonly used for implants, from 0.25 M LiF and 0.25 M TaF5 in [Py1,4]TFSA, significantly increasing the corrosion resistance. However, the deposition process is often described as "not straightforward" and deposits created under "unfavorable conditions"
contain large amounts of subfluorides. The underlying mechanism is not fully understood, with a one-step or two-step process with the intermediate stage TaF3 being suspected for tantalum deposition. This work aims to gain a better understanding of the mechanism of electrochemical deposition.
For this purpose, the relatively new method of in situ X-ray photoelectron spectroscopy, which allows a combination of electrochemical and spectroscopic examination of the interface, will be used. This allows the electrochemical processes in an electrochemical cell, connected to a potentiostat, to be studied under ultra-high vacuum conditions, while a potential can additionally be applied to the cell. First, an in situ cell with a 3-electrode setup for the present system will be developed and checked for proper function. The difficulty lies in the permanent
accessibility of the electrodes, as the information depth of the method is only within a few nanometers. Subsequently, a step-by-step in situ investigation of the reduction processes will be carried out, along with accompanying ex situ investigations of the working electrodes used.
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