Oriented nanochannels for nanowire synthesis [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Andreas Keilbach

Andreas Keilbach

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 17 Mo

Extrait

SynthesisDisserttusaftionAndreaszurwig-Maximilians-UniversitErlOrientedangungNanodesrgelegtDoktorchgrades2010der?FM?nchenakulNanochannelstor?wiretvof?rvonChemieKeilbaundaPharmazieM?nchenderLudiiERKLÄRUNG:
Diese Dissertation wurde im Sinne von §13 Abs. 3 der Promotionsordnung vom 29.
Januar 1998 von Herrn Prof. Dr. Thomas Bein betreut.
EHRENWÖRTLICHE VERSICHERUNG:
Diese Arbeit wurde selbstständig und ohne unerlaubte Hilfe erarbeitet.
Ort, Datum Unterschrift
Datum der Einreichung: 07. Mai 2010
1. Gutachter: Prof. Dr. Thomas Bein
2. Prof. Dr. Christina Scheu
Tag der mündlichen Prüfung: 10. Juni 2010
iiiivDANKSAGUNG.
Vor allen Dingen möchte ich mich bei meinem Doktorvater Prof. Thomas Bein be-
danken. Ohne seine großzügige finanzielle Unterstützung, die vielen interessanten
Diskussionen und das Vertrauen in meine Arbeit wäre diese Arbeit nicht möglich
gewesen.
Bei Prof. Tina Scheu möchte ich mich herzlich für die Übernahme des Zweitgut-
achtens bedanken.
Ich möchte mich bei Dr. Anna Fontcuberta i Morral und Dr. Ying Xiang für die
erfolgreiche Zusammenarbeit in dem Projekt ’Multiple Nanowire Species Synthesi-
zed on a Single Chip’ sowie den Einblick in das CVD Wachstum von Nanodrähten
danken. Bei Ying möchte ich mich weiterhin auch noch für die Unterstützung beim
Setup des des Anodisierungsprozesses bedanken.
Ein ganz besonderer Dank gilt natürlich auch Dr. Ralf Köhn, dessen aufopfernde
Betreuungsarbeit schon mit meiner Diplomarbeit begann und dessen Rat mir bis
heute sehr wichtig ist. Mindestens genauso wie für seine wissenschaftliche Betreu-
ung möchte ich mich bei ihm aber auch noch für die vielen Stammtische, Fussball-
abende und Weißwurstfrühstücke bedanken.
Bedanken möchte ich mich natürlich auch noch natürlich bei Markus für seine Hil-
fe an den Mikroskopen und bei der Interpretation unmöglicher Beugungsbilder
und auch bei Steffen für die viele Zeit an SEM, TEM und FIB. Danke an Regina
(dafür, dass sie Ordnung in das manchmal riesige Verwaltungschaos bringt), Tina
(dafür, dass sie Ordnung in unser ebenso großes Laborchaos bringt), bei Mirjam,
vAxel, Jörg und allen anderen, die den manchmal aufkommenden Laborfrust ganz
schnell wieder verfliegen lassen. Ein Dank auch an meine ehemalige Bürokolle-
gin Camilla für ihre Motivation und die reibungslose Übergabe des AMS. Bei Yan
bedanke ich mich dafür, dass sie mein Thema mit großem Einsatz weiterführt. Dan-
ke auch an alle meine Praktikanten James, Hans, Eva, Rainer, Susanne und Cate
für ihre großartige Unterstüzung meiner Forschung. Natürlich gilt mein Dank aber
auch all den hier aus Platzgründen nicht erwähnten Mitarbeitern, Diplomanden
und Studenten des ganzen AK Bein, die mein Leben nicht nur wissenschaftlich
sondern mit den unzähligen Kaffeepausen, Stammtischen, Grillabenden etc. ganz
klar auch jenseits der Wissenschaft bereichert haben.
Der größte Dank geht am Ende aber natürlich an Huihong und meine Familie,
ohne deren fortwährende Unterstützung ich nicht das wäre, was ich heute bin.
viABSTRACT.
This thesis aims at the synthesis of oriented nanochannel systems for the synthesis
of metallic or semiconducting nanowires. Three different synthesis strategies have
been developed.
First, horizontal macro- to mesoporous anodic aluminum oxide (AAO) structures
with individually addressable channel systems were fabricated in collaboration
with the group of Dr. Anna Fontcuberta at TU München. For this purpose, a
multi-contact design of aluminum finger structures on silicon wafers was devel-
oped. Each finger structure can be individually contacted and between 2 - 5 contacts
were generated on a single silicon wafer. The aluminum contacts were electrically
isolated from each other, thus each contact can be individually anodized. This way
it is possible to synthesize different pore diameters, pore densities, and channel
lengths on a single chip. After the anodization, these channels were successfully
filled by electro-deposition and thermal chemical vapor deposition. The resulting
metal (Au, Cu, Ni, Co) and semiconductor (Te, Si) nanowires embedded within the
AAO mold were characterized by SEM and EDX measurements.
The second strategy deals with hierarchical channel structures formed from colum-
nar silica mesophases inside AAO membranes. These channels were then used for
the fabrication of high-aspect ratio copper, silver, and tellurium nanowires. The re-
sulting wires were structurally and spectroscopically characterized within the host
matrix, in the partially dissolved matrix, and completely removed from the matrixwith electron microscopy methods. Plan-view images of wires featuring 10 nm di-
ameter within the intact matrix showed the successful replication of the hexagonal
arrangement of the columnar mesoporous system.
The concept of hierarchical structures within PAA templates was again utilized for
the third strategy, where the structural behavior of periodic mesoporous organosil-
ica (PMO) mesophases within the AAO pores was studied. PMO mesophases with
different orientations with respect to the alumina pores were obtained; one of the
observed mesophases (cubic Im3m) has not been reported before. After successful
template removal, the hexagonal circular mesophase could be used for the synthe-
sis of nanowires by electrodeposition.
viii2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Porous Anodic Alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Barrier-type and porous-type anodization of aluminum . . . . 10
2.2.2 Synthesis of PAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Applications of anodic alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Mesoporous structures in confined environments . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Introduction to periodic mesoporous materials . . . . . . . . . 19
2.3.2 Synthesis of mesostructures within AAO membranes . . . . . 26
2.3.2.1 Sol-gel processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2.2 Synthesis via EISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2.3 Vapor-phase synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.3 PMO and carbon mesophases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.4 Inclusion chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
ix
1MateNanoNanotechnologyrousateria2alsIntro&ductionomtolsNanop7Contents1ri2.3.5 Separation/release . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2 Nanowire synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1 Spontaneous growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 Template-based synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.3 Electrospinning and lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3 General Properties of Nanowires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2 X-Ray diffraction (XRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.1 Small angle X-ray scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Wide angle XRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3 Electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3.1 Scanning electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.2 Transmission electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.3 Elemental analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4 Sorption measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.5 Other characterization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5.1 Infrared and Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5.2 Thermogravimetric analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5.3 Nuclear magnetic resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
x
8973Charofuctures3nostNanomaterialsaracterizationNOne-dimensional4