Ergebnisse der Vorversuche

carsten.brandt.de

Ergebnisse der Vorversuche

Selektive Abscheidung von Gold

Carsten Brandt

Vortrag im Rahmen

des Forschungspraktikums

Betreuer:

PD Dr. Andreas Terfort

via CVD

Institut für Anorganische und Angewandte Chemie

Universität Hamburg


Problemstellung

Selektive Beschichtungen: ortsselektiv

- bei der Generierung feiner Oberflächenstrukturen


Problemstellung

Selektive Beschichtungen: orts- bzw. strukturselektiv

- bei der Generierung feiner Oberflächenstrukturen

- für die Mikrofluidik (Mikropumpen etc.)

„schaltbare“ Oberflächen


Beschichtungstechniken

- Aufdampfen, Sputtern

Problemstellung

- elektrolytisches Abscheiden

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)

Tauchbad, Sprühtechniken etc.


Problemstellung

Beschichtungstechniken für Glaskapillaren?

- Aufdampfen, Sputtern

- elektrolytisches Abscheiden

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)

Tauchbad, Sprühtechniken etc.

- Rinnen beschichten und erst anschließend

zusammensetzen � Fuge bleibt zurück


Problemstellung

Beschichtungstechniken für Glaskapillaren

- Aufdampfen, Sputtern

- elektrolytisches Abscheiden

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)

Tauchbad, Sprühtechniken etc.

mit metallischem Gold ?

- Rinnen beschichten und anschließend erst

zusammensetzen � Fuge bleibt zurück


Problemstellung

Beschichtungstechniken für Glaskapillaren

- Aufdampfen, Sputtern

- elektrolytisches Abscheiden

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)

Tauchbad, Sprühtechniken etc.

mit metallischem Gold ?

- Rinnen beschichten und anschließend erst

zusammensetzen � Fuge bleibt zurück


Problemstellung

Lösung: CVD

Chemical Vapor Deposition

Precursor wird

-verdampft

- an die gewünschte Position gebracht

- chemisch verändert (zersetzt)


Problemstellung

CVD

Precursor: Trimethylphosphin-gold-methyl

2

(CH 3 ) 3 PAuCH 3

2 Au + C 2 H 6 + 2 (CH 3 ) 3 P


Synthese des Precursors

1. Darstellung von Kaliumtetrabromoaurat

Au + 3/2 Br 2 + KBr � KAuBr 4

2. Reduktion von Gold(III) zu Gold(I)

KAuBr 4 + SO 2 + 2 H 2 O � KAuBr 2 + 2 HBr + H 2 SO 4


Synthese des Precursors

3. Darstellung von Trimethylphosphan

H

H

C Br+

Mg

H

O

P

O

O

H

H

C MgBr

H

+ 3 H

H

C MgBr

H

CH 3

Bu2O P

+ 3

H3C CH3 O

MgBr


Synthese des Precursors

4. Darstellung von Trimethylphosphangoldbromid

KAuBr 2 + P(CH 3 ) 3 � (CH 3 ) 3 PAuBr + KBr

5. Ligandenaustausch Br gegen Me

(CH 3 ) 3 PAuBr + CH 3 Li � (CH 3 ) 3 PAuCH 3 + LiBr

6. letzte Reinigung durch Sublimation

autokatalytische Zersetzung ⇒ nur 62% Ausb.


Eigenschaften des Precursors

- hoher Dampfdruck (Sublimation bei 40-50°C bei 1 Pa)

- bei Raumtemperatur relativ stabil

- Zersetzung in Gold und flüchtige Bestandteile

� akzeptable Reinheit der Goldschicht

- geringe Zersetzungstemperatur

- autokatalytische Zersetzung


Substrat-Vorbereitungen

Vorbehandlung der Objektträger

- Reinigung der Objektträger mit Tensidlösung

- Behandlung mit Schwefelsäure / H 2 O 2

- gründliches Spülen mit dest. Wasser

- für 10 Minuten in siedende Lösung aus

4% MPS, 4% Wasser in Isopropanol tauchen

- Trocknen bei 100°C


MPS

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

H 3CO

S

CH 2

CH 2

CH 2

Si

OCH 3

H

OCH 3


MPS

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

O

S

CH 2

CH 2

CH 2

Si

O

H

O


MPS

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

O

S

CH 2

CH 2

CH 2

Si

O

O


ildet auf Glas

selbst-anordnende

Monoschichten:

MPS - SAM

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

Self-Assembling

Monolayers


„CVD-Anlage“ - Version 1.02

zur Beschichtung flacher Substrate

Vakuum

Präparate-Glas

mit Au-Precursor

Substrat

1cm Aluminiumplatte

mit Silikonbeschichtung

zur

Abdichtung


„CVD-Anlage“ - Version 1.02

zur Beschichtung flacher Substrate


„CVD-Anlage“ - Version 1.02

zur Beschichtung flacher Substrate


CVD-Ablauf

- ca. 5-10 mg (CH 3 ) 3 PAuMe in Präp.-Glas

- Substrat plazieren

- Vakuum anlegen

- Heizen

Vakuum

Präparate-Glas

mit Au-Precursor

Substrat

1cm Aluminiumplatte

mit Silikonbeschichtung

zur

Abdichtung


Ergebnisse der Vorversuche

Gold bzw. Precursor schlägt sich überall nieder

Silikon-Dichtmasse

enthält Platin-

Katalysator

� intensive weinrote

Färbung

� Gold-Nanopartikel im

Silikon

- außer auf dem Objektträger.


Herdentrieb des Goldes ?

- MPS-Beschichtung (freie Thiol-Gruppe) reicht

nicht zur Abscheidung eines Goldfilms

- Mögliche Lösung: Nanopartikel als

Kristallisationskeime


Synthese der Nanopartikel

7. Palladium-Nanopartikel

Pd(II)-acetat

+ 0,025 äq. Tetraoctadecylammoniumbromid

in abs. THF

+ 18 äq. abs. Ethanol

12 Stunden bei 65°C rühren

N Br


Nanopartikel


Nanopartikel


Nanopartikel


Ergebnisse der Vorversuche

XPS-Spektrum der gebundenen Pd-Nanopartikel

Counts

45000

40000

35000

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

0 200 400 600 800 1000 1200

Energie [eV]


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug


Ergebnisse der Vorversuche

XPS-Spektrum der erhaltenen Goldoberfläche

Counts

140000

120000

100000

80000

60000

40000

20000

0

0 200 400 600 800 1000 1200

Ene r gie [e V ]


Ergebnisse der Vorversuche

XPS-Spektren-Vergleich

rel. Intens.

250000

200000

150000

100000

50000

0

0 200 400 600 800 1000 1200

Energie [eV]


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

10µm


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

1µm


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

200nm


Micro Contact Printing

MPS gestempelt, Pd-Partikel-Tauchbad, CVD bei 70°C

� Goldfilm zunächst nur auf gestempelter Fläche

� feine Strukturen erkennbar


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

2µm


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

200nm


Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

1µm


Wohin soll das führen?

Lotus-Effekt

= hydrophobe und extrem rauhe Oberfläche


Oberflächenspannung

Θ

Hydrophil


Oberflächenspannung

Θ

Hydrophob


Wenzel-Theorie


S

M

Schalten der Oberflächenspannung

S

M

S

M

-n e -

+ n e -

Niedrige Oberflächenenergie Hohe Oberflächenenergie

= hydrophob = hydrophil

S

M

S

M

S

M


Konzept eines Mikrofluidik-Systems

Hydrophob Hydrophob Hydrophil Hydrophob

Hydrophil


Konzept eines Mikrofluidik-Systems


Konzept eines Mikrofluidik-Systems


100µm

Konzept eines Mikrofluidik-Systems


100nm

Konzept eines Mikrofluidik-Systems


Konzept eines Mikrofluidik-Systems

Oberfläche (Kontaktwinkel) läßt sich 1x schalten

� es erfolgt irreversible Veränderung der Oberfläche


Kapillare

(eingeklebt)

zur Vakuumpumpe

(verschließbar)

Precursorvorrat

Versuche mit Kapillaren

Heizmantel

zur Vakuumpumpe

(Kühlfalle

vorgeschaltet)

fahrbarer

Schlitten


Versuche mit Kapillaren

gereinigte, nicht vorbehandelte Kapillare:

- bis 250°C keine Veränderung

- nach 1 h bei 300°C rötliche Färbung sichtbar

- nach 2,5 h rötlicher Belag an zwei Stellen deutlich

sichtbar


Versuche mit Kapillaren

gereinigte, nicht vorbehandelte Kapillare:

200nm


Versuche mit Kapillaren

gereinigte, MPS- und Pd-beschichtete Kapillare:

- 3,5 h 70°C: Blaufärbung

- 3,5 h 80°C: Blaufärbung

- 3,5 h 95°C: Blaufärbung

- 6,0 h 95°C: zunächst Blau-, später Goldfärbung

- 3,5 h 110°C: Blaufärbung

- 3,5 h 125°C: Blaufärbung


3,5 h 80°C: Blaufärbung

10µm

Versuche mit Kapillaren


Versuche mit Kapillaren

6,0 h 95°C: zunächst Blau-, später Goldfärbung


Leitfähigkeit

6,0 h 95°C: zunächst Blau-, später Goldfärbung

150 Ω auf 30 mm


starke Beschädigungen des Goldfilms


Zusammenfassung

CVD zur Darstellung verschiedener Goldoberflächen

Herstellung extrem rauher Oberflächen

Goldfilm in Kapillare

leider noch kein geschlossener Film

Nächste Ziele

Variation der Parameter (mehr Kapillaren in kürzerer Zeit)

Stabilisierung der schaltbaren Oberfläche


Andreas Terfort

AK Terfort

Jörn Wochnowski, AK Heck

Danke

Frau Walter, Institut für Zoologie

Andreas Kornowski, AK Weller

AK Wiesendanger, Institut für Experimentalphysik

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