Functional nanoparticle arrays produced by dewetting of thin metallic films
Final Report Abstract
Im Projekt wurde die Festphasen-Entnetzung (SSD – solid state dewetting) zur Erzeugung von Anordnungen von metallischen Nanopartikeln sowohl für Einzelschichten als auch für metallische Vielfach-Schichten intensiv untersucht. Die Morphologie der erzeugten Partikelsysteme und Partikelanordnungen kann durch Parameter wie Schichtdicken, Schichtanordnungen, Substrat, Temperatur, usw. sehr gut gesteuert werden. Der Entnetzungsbeginn kann insbesondere durch das Substrat und dessen Strukturierung gesteuert werden. Hierdurch lassen sich auch genaue periodische Anordnungen von gleichartigen Partikeln in weiten geometrischen Abmessungen erzeugen. Hiermit konnte ein Hauptziel des Projektes erreicht werden. Die metallurgischen Vorgänge wurden detailliert aufgezeigt. Die Art und Form des Substratmaterials haben ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Entnetzung. Die Entnetzungskinetik auf TiO2-Substraten ist deutlich schneller als auf SiO2-Substraten, was auf die unterschiedliche Adhäsion zurückzuführen ist (Aktivierungsenergie). Darüber hinaus wurden nanoporöse SiO2-Dünnschichtsubstrate mit Hilfe der Schrägwinkelabscheidung (OAD) hergestellt. Es ist interessant, dass eine Art metallischer Lotuseffekt während der SSD von Au-Filmen auf den nanoporösen SiO2-Dünnfilmsubstraten beobachtet wurde, was auf eine erhöhte Supermetallophobie hinweist, die die Hauptfaktoren sind, die die SSD auf der Oberfläche der nanoporösen Substrate kontrollieren. Regelmäßige Anordnungen von metallischen Nanopartikeln können sogar durch SSD auf den vorstrukturierten Substraten erreicht werden. Die Atomdiffusion kann durch die periodische Modulation der chemischen Potentiale, die durch die lokalen Oberflächenkrümmungen der Substrate induziert werden, beeinflusst werden. Bei optimierter Schichtdicke und strukturellen Parametern der Substrate können durch die krümmungsgetriebene Diffusion geordnete Gitter von metallischen Nanopartikeln gebildet werden. Die Entnetzung kann weitgehend unterdrückt werden, wenn der metallische Film mit einer Passivierungsschicht (z. B. Al2O3) überdeckt ist. Au-Nanowhisker können spannungsinduziert gebildet werden. SSD von metallischen Doppelschichten zeigt, dass das Legierungsverhalten die Entnetzungskinetik deutlich beeinflusst. Auch die Stapelreihenfolge und das Schichtdickenverhältnis haben einen großen Einfluss auf das Entnetzungsverhalten. Unterschiedliche Stapelreihenfolgen haben unterschiedliche Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie, was zu unterschiedlicher Entnetzungskinetik und Partikelgrößenverteilung führt. Das Legierungsverhalten kann über Elementkombination und Zusammensetzung (Schichtdickenverhältnis) gut eingestellt werden. Die Temperaturabhängigkeit variiert bei unterschiedlichem Schichtdickenverhältnissen, insbesondere wenn ein großer Unterschied in den Schmelzpunkten der beiden Komponenten besteht. Metastabile übersättigte Au-Ni-Legierungsnanopartikel können durch SSD unter Verwendung von schnellen Temperprozessen (RTP – rapid thermal processing) realisiert werden, da die schnelle Abkühlung die Entmischung verhindert. SSD ist somit eine praktische Methode für die Herstellung von metallischen Nanopartikeln und Partikelanordnungen. Sie kann auch gut mit anderen nanometallurgischen Prozessen kombiniert werden, um neuartige Nanostrukturen herzustellen. Beispielsweise wurde SSD mit Dealloying kombiniert und so nanoporöse Gold-Nanopartikel mit gut einstellbaren Parametern (Porengröße, Partikelgröße, Partikelform, …) hergestellt. Aufgrund der einzigartigen strukturellen Eigenschaften haben die nanoporösen Gold-Nanopartikel interessante plasmonische Eigenschaften. Durch die Kombination von SSD und Entmischung können sandwichartige Au-Ni-Nanopartikel mit wohldefinierten Facetten und Formen hergestellt werden. Durch die Kombination von SSD und oxidations-induziertem Nano-Kirkendall-Effekt entstehen Kern/Schale Au-NiO-Nanopartikeln und Nanowhiskern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SSD aufgrund des Festkörperverhaltens sehr komplex ist, aber doch als eine sehr einfache Methode für die Herstellung maßgeschneiderter neuartiger Nanostrukturen auch großtechnisch einsetzbar ist. Darüber hinaus kann SSD weitere Ergebnisse zum Verständnis des Werkstoffverhaltens im Nanomaßstab und den nanometallurgischen Prozessen beitragen. Überraschend waren die äußerst spannenden optischen Eigenschaften der nanoporösen Nanopartikel (Schwämme) deren plasmonische Eigenschaften ein großes Potenzial für die Nanophotonik bieten. Eine starke Wechselwirkung zwischen den Partikeln in den Gitterstrukturen konnten leider nicht beobachtet werden. Über die Arbeiten in diesem Projekt wurde auch in der Zeitschrift „forschung“ der DFG berichtet, sowie in einigen Beitragen in lokalen Zeitschriften.
Publications
- Solid-state dewetting of Au/Ni bilayers: The effect of alloying on morphology evolution. J. Appl. Phys., 2014, 116, 044307
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Herz, A.; Friák, M.; Rossberg, D.; Hentschel, M.; Theska, F.; Wang, D.; Holec, D.; Šob, M.; Schneeweiss, O.; Schaaf, P.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4928627) - Fabrication of hollow gold nanoparticles by dewetting, dealloying and coarsening. Acta. Mater. 2016, 102, 108-115
Kosinova, A.; Wang, D.; Schaaf, P.; Kovalenko, O.; Klinger, L.; Rabkin, E.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.09.024) - Solid-state dewetting of single- and bilayer Au-W thin films: Unraveling the role of individual layer thickness, stacking sequence and oxidation on morphology evolution. AIP Advances 2016, 6, 035109
Herz, A.; Franz, A.; Theska, F.; Hentschel, M.; Kups, T.; Wang, D.; Schaaf, P.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4944348) - Solid-state dewetting of Au-Ni bi-layer films mediated through individual layer thickness and stacking sequence, Appl. Surf. Sci., 2018, 444, 505-510
Herz, A.; Theska, F.; Rossberg, D.; Kups, T.; Wang, D.; Schaaf, P.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.03.096) - Supermetallophobic behavior in solid state dewetting of gold on stochastically periodic SiO2 nanocolumns prepared by oblique angle deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 11385-11395
Oliva-Ramirez, M.; Wang, D.; Flock, D.; Rico, V. J.; Gonzalez-Elipe, A.; Schaaf, P.
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.0c19327)
