Electrical and Mechanical Properties of Freestanding Membranes Consisting of Organically Cross-Linked Metal Nanoparticles: The Effect of Order and Disorder
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden freistehende Membranen aus kovalent vernetzten Gold-Nanopartikeln (GNP; Durchmesser: 3 - 8 nm) hergestellt, um ihre elektrischen, mechanischen und elektromechanischen Eigenschaften zu studieren. Dabei sollten die gegenseitigen Abhängigkeiten dieser Eigenschaften von verschiedenen Strukturparametern, insbesondere von den interpartikulären Abständen und dem Ordnungsgrad der GNPs, untersucht werden. Als übergeordnete Zielstellung sollten die generierten Datensätze dazu dienen, das Potential freistehender GNP-Membranen für Anwendungen als elektromechanische Signalwandler und neuartige MEMS-Elemente zu bewerten. Die Präparation hochgeordneter, kovalent vernetzter, elektrisch leitfähiger und freistehender GNP-Membranen erwies sich im Verlauf des Projektes als nicht praktikabel. Daher konzentrierten sich unsere Arbeiten zunehmend auf die Untersuchung ungeordneter GNP-Membranen, die mit Hilfe eines Spin-Coating-Verfahrens unter Verwendung von Alkandithiolen als Crosslinker präpariert wurden. Die nur 20 - 60 nm dicken GNP-Filme ließen sich auf Kavitäten und Aperturen mit lateralen Dimensionen von mehreren 10 bis mehreren 100 Mikrometern zur Bildung freistehender GNP-Membranen übertragen. Durch AFM-Bulge-Experimente konnte gezeigt werden, dass der E-Modul der GNP-Membranen bei einer Verkürzung des Crosslinkers von 10 auf 3 Methyleneinheiten von ca. 3 auf 10 GPa zunimmt. Aufgrund der gleichzeitig abnehmenden interpartikulären Abstände nimmt die elektrische Leitfähigkeit dabei um 3 - 4 Größenordnungen zu und die Plasmonabsorption wird um 70 nm rotverschoben. Die Kenntnis dieser Variabilität und Einstellbarkeit gegenseitig abhängiger Eigenschaften ist für potentielle Anwendungen solcher Membranen von fundamentaler Bedeutung. Aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von den interpartikulären Abständen führen schon geringfügige Dehnungen zu signifikanten Änderungen des Widerstands. Durch Ablegen der Membranen auf Mikrokavitäten, die mit geeigneten lateralen Elektroden versehen wurden, gelang es, barometrische Drucksensoren mit sehr hoher Sensitivität (ca. 10-4 mbar-1) herzustellen. Durch AFM-Bulge-Experimente und in situ Ladungstransportmessungen, wurden Dehnungsempfindlichkeiten mit k-Faktoren zwischen 6 - 14 gemessen. Ferner gelange es, die GNP-Membranen aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit elektrostatisch zu aktuieren. Durch Anlegen einer durchstimmbaren AC Spannung konnte das Schwingungsverhalten der Membranen untersucht werden. Mit Hilfe interferometrisch gemessener Amplitudenkarten wurden die Schwingungsmoden den Resonanzfrequenzen zugeordnet. Des Weiteren wurde das Dämpfungsverhalten durch Ring-Down Experimente untersucht, wobei Q-Faktoren bis ca. 2000 bestimmt wurden. Außerdem zeigte sich, dass die Resonanzfrequenzen sehr sensitiv auf äußere Einflüsse reagieren. Insbesondere führte die Absorption flüchtiger organischer Verbindungen zu einer Verringerung der Vorspannung und somit zu einer empfindlichen Abnahme der Resonanzfrequenz. Insgesamt haben die Projektergebnisse gezeigt, dass freistehende Membranen aus organisch vernetzten Metall-Nanopartikeln aufgrund ihrer einstellbaren, störungssensitiven elektrischen Leitfähigkeit, ihrer mechanischen Eigenschaften sowie ihrer elektrostatischen Aktuierbarkeit ein hohes Potential für technische Anwendungen als neuartige Sensoren und Aktuatoren aufweisen. Weiterführende Forschungsarbeiten sind notwendig, um diese Eigenschaften für spezielle Anwendungen gezielt zu optimieren und effiziente Fertigungsmethoden zu entwickeln.
Publications
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Freestanding Membranes of Cross-Linked Gold Nanoparticles: Novel Functional Materials for Electrostatic Actuators, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 15123-15128
H. Schlicke, D. Battista, S. Kunze, C. J. Schröter, M. Eich, T. Vossmeyer
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Electrostatically Driven Drumhead Resonators Based on Freestanding Membranes of Cross-Linked Gold Nanoparticles, Nanoscale 2016, 8, 15880-15887
H. Schlicke, C. J. Schröter, T. Vossmeyer
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Freestanding Membranes of Cross-Linked Gold-Nanoparticles: Novel Functional Materials for MEMS/NEMS Applications, TechConnect Briefs, Advanced Manufacturing, Electronics and Microsystems 2016, 4, 83 – 87
H. Schlicke, C. J. Schröter, M. Rebber, D. Battista, S. Kunze, T. Vossmeyer
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Resistive Pressure Sensors Based on Freestanding Membranes of Gold Nanoparticles, Nanoscale 2016, 8, 183-186
H. Schlicke, M. Rebber, S. Kunze, T. Vossmeyer
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Cross-Linked Gold-Nanoparticle Membrane Resonators as Microelectromechanical Vapor Sensors, ACS Sens. 2017, 2, 540-546
H. Schlicke, M. Behrens, C. J. Schröter, G. T. Dahl, H. Hartmann, T. Vossmeyer
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Electrostatically Actuated Membranes of Cross-Linked Gold Nanoparticles: Novel Concepts for Electromechanical Gas Sensors, Proceedings 2017, 1, 301
H. Schlicke, S. C. Bittinger, M. Behrens, M. Yesilmen, H. Hartmann, C. J. Schröter, G. T. Dahl, T. Vossmeyer
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Membranes of Organically Cross-Linked Gold Nanoparticles: Novel Materials for MEMS/NEMS Sensors and Actuators, IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference (October 2-4, 2017, Singapore, Proceedings Paper) 2017, 109-110
H. Schlicke, C. J. Schröter, G. T. Dahl, M. Rebber, M. Behrens, T. Vossmeyer
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Cross-Linked Nanoparticle Membranes for Microelectromechanical Chemical Sensors and Pressure Sensors, Proceedings 2018, 2, 821
H. Schlicke, H. Hartmann, S. C. Bittinger, M. Rebber, M. Behrens, T. Vossmeyer
