Synthese und polaritätsgesteuerte Anordnung von ZnO Kristalliten
Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Aufbau keramischer Materialien durch gezielten Zusammenbau von nanoskaligen Objekten bietet die Möglichkeit das resultierende Gefüge auf mikroskopischer Ebene zu steuern. In Materialien mit polarer Kristallstruktur wie Zinkoxid, könnten so Stapel von Kristalliten, in denen diese in den einzelnen Schichten mit gleichartiger oder gegenläufiger Ausrichtung der polaren Achse vorliegen, hergestellt werden. Eine denkbare Anwendung sind Schaltelemente, in denen der Ladungstransport zwischen den Kristalliten durch mechanischen Stress (Druck oder Biegung) beeinflusst werden könnte. In dem vorliegenden Projekt wurde untersucht welche Techniken für einen solchen gezielten Zusammenbau in Frage kommen. Weiterhin galt es Herstellungsmöglichkeiten für Zinkoxid- Kristallite zu finden, die durch ihre Gestalt und Größe für solche Prozesse geeignet sind. Wichtig ist hier, dass die eingesetzten Baublöcke möglichst gleichartig sind, da größere Abweichungen zu Stapelfehlern führen. Die Elektrophoretische Abscheidung (EPD) sowie das Langmuir-Blodgett- Verfahren (LB) wurden als grundsätzlich geeignet befunden und im Folgenden weitergehend eingesetzt. Hier kommt es zur Steuerung der Anordnung durch elektrische Felder bzw. durch Oberflächenkräfte. Da Dispersionen der Zinkoxid-Kristallite verwendet werden, ist deren Herstellung und Konditionierung ebenfalls ein wichtiger Aspekt der Arbeiten. Für die EPD konnten stabile Dispersionen von Zinkoxid-Nanopartikeln (< 10 nm) in nicht wässerigen Lösemitteln durch Zersetzung geeigneter molekularer Vorläufer in Mikrowellenreaktionen erhalten werden. Die Anordnung dieser Kristallite entlang der polaren Achse gelingt in kleineren Domänen. Der Abscheideprozess konnte mittels Positronen-Annihilationsspektroskopie im Detail untersucht werden. Dabei zeigte sich, dass sich die Stapelung der Kristallite im Bereich der Elektrode nicht von dem an der Oberfläche unterscheidet. Die Herstellung von Zinkoxid als einkristalline, mikrometer-große hexagonale Plättchen ist hingegen für das LB-Verfahren erforderlich. Die Synthese solcher 2D-Baueinheiten des Zinkoxids ist überraschend schwierig und war bislang nur unvollständig verstanden. Im Rahmen unserer Arbeiten wurde nun aus hydrothermalen Fällungsreaktionen durch Cobalt-Dotierung und Kristallisation aus Ethanol/Wasser-Gemischen ein einfacher Zugang gefunden. Mittels LB-Verfahren ist es möglich auf mit Polyelektrolytschichten modifizierten Glassubstraten Monolagen zu erzeugen, in denen zumindest kleinere Bereiche mit Parkettierungen vorliegen. Die absolute Ausrichtung der polaren Achse in den aufgebrachten Kristallit-Lagen konnte mittels Piezokraft-Mikroskopie und Kelvin- Sonden-Kraft-Mikroskopie bestimmt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Zinc diketonates as single source precursors for ZnO nanoparticles: microwave-assisted synthesis, electrophoretic deposition and field-effect transistor device properties. J Mater Chem C 2016;4:7345-7352
Hoffmann RC, Sanctis S, Erdem E, Weber S, Schneider JJ
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Molecular precursors for ZnO nanoparticles: Field-assisted synthesis, electrophoretic deposition, and field-effect transistor device performance. Inorg. Chem. 2017;56:7550-7557
Hoffmann RC, Sanctis S, Schneider JJ
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Metal oxide double layer capacitors by electrophoretic deposition of metal oxides. Fabrication, electrical characterization and defect analysis using positron annihilation spectroscopy. J Mater Chem C 2018;6:9501-9509
Hoffmann RC, Koswloski N, Sanctis S, Liedke MO, Wagner A, Butterling M, Schneider JJ
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Synthesis and assembly of zinc oxide microcrystals by a low temperature dissolution– reprecipitation process: Lessons learned about twin formation in heterogeneous reactions. Chem Eur J 2020; 26: 9319-9329
Hoffmann RC, Trapp M, Erdem E, Kratzer M, Teichert C, Kleebe HJ, Schneider JJ
