Synthesis and functional materials properties of 2-D arranged SiC and SiCN materials
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Herstellung und Charakterisierung von 2-D angeordneten Siliciumcarbid- und Siliciumcarbonitrid-Nanostrukturen. Zum Zeitpunkt der Antragstellung existierten auf diesem Gebiet Herstellungsverfahren, die auf Techniken der Gasphasenabscheidung und der carbothermischen Reduktion basierten, die zu kristallinen Siliciumcarbid-Nanostrukturen führten. Als Neuerung sollten im Rahmen dieses Projektes röntgenamorphe Nanostrukturen unter dem Einsatz der Flüssiginfiltrations- und der Sol-Gel-Technik in Kombination mit oxidischen Templaten hergestellt werden. Zusätzlich sollten erstmals auch stickstoffhaltige SiCN-Nanostrukturen synthetisiert werden. Im Laufe des Projektes konnte festgestellt werden, dass die verwendeten Aluminiumoxidtemplate für das erfolgreiche Erreichen des Projektziels nicht geeignet waren, da sie bei den gewählten und notwendigen Reaktionsbedingungen kein inertes Verhalten aufweisen und mit den eingesetzten molekularen Vorläufern bzw. deren Pyrolyseprodukten reagierten. Entscheidend für die Sauerstoffkontamination ist vermutlich die amorphe Oberflächenstruktur der Template und die damit verbundene hohe chemische Reaktivität unter den notwendigen Reaktionstemperaturen von mehr als 1000 °C. Diese Erkenntnisse konnten durch eine umfangreiche Charakterisierung der erhaltenen amorphen 1D SiOC Materialien eindeutig belegt werden. Dieses auf den ersten Blick eher negative Projektergebnis in Hinblick auf das ursprünglich angestrebte Projektziel hat aber auch entscheidende Konsequenzen für zukünftige Arbeiten im Hochtemperaturbereich mit diesen Templaten. Solche Template, die weltweit in einer Vielzahl von Laboratorien zur Synthese eindimensionaler Nanomaterialien eingesetzt werden, sind sicherlich als “non-innocent“ materials in Bezug auf deren Reaktionsverhalten unter hohen Temperaturen zu bezeichnen. Zudem lassen die erzielten Ergebnisse durchaus gut belegte Zweifel an der wahren Identität bereits publizierter, aber im Vergleich zu den in diesem Forschungsprojekt deutlich weniger gut charakterisierten 1D Nanostrukturen des Typs SiC bzw. SiCN zu. Aus unseren Ergebnissen heraus entstand eine weitere wissenschaftliche Fragestellung, die letztlich aber zum erfolgreichen Abschluss des Projektes führen sollte. Die Entwicklung von inerten Templaten verlagerte sich zum Schwerpunkt des Projektes. Durch die Umwandlung der Aluminiumoxid- in Aluminiumnitridtemplate konnte die Aufgabenstellung des Projektes erfolgreich bearbeitet werden. Es wurde gezeigt, dass in Abhängigkeit von der keramischen Ausbeute der verwendeten Vorläufer, die Morphologie der Stäbchen zwischen vollen und hohlen Strukturen eingestellt werden kann. Durch Kristallisationsuntersuchungen konnte festgestellt werden, dass bei den nanodimensionierten Strukturen die Kristallisation ab 1400 °C einsetzte statt bei 1600 °C der entsprechenden Bulkmaterialien. Art und Umfang kristalliner Phasen konnte weiterhin von der verwendeten Gasatmosphäre während der Pyrolyse gesteuert werden. Unter Argonatmosphäre wurde bevorzugt kristallines Siliciumcarbid gebildet, wohingegen in Stickstoff Siliciumnitrid die dominierende kristalline Phase darstellte. Die chemische Zusammensetzung der keramischen Nanostrukturen konnte im Gegensatz zu entsprechenden Bulkmaterialien die ebenfalls über die Vorläufermethode hergestellt wurden, durch Kombination der Auslagerungstemperatur und der Gasatmosphäre gesteuert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Polymer-Derived SiOC Nanotubes and Nanorods via a Template Approach; Eur. J. Inorg. Chem. 2009, 3496-3506
Mikhail Pashchanka, Jörg Engstler, Jörg J. Schneider, Vassilios Siozios, Claudia Fasel, Isabel Kinski, Ralf Riedel, Stefan Lauterbach, Hans-Joachim Kleebe, Stefan Flege, Wolfgang Ensinger
