Selektive Abscheidung von Gold - carsten-brandt.de · 6. letzte Reinigung durch Sublimation autokatalytische Zersetzung ⇒nur 62% Ausb. Eigenschaften des Precursors - hoher Dampfdruck

Selektive Abscheidung von Gold via CVD

Carsten Brandt

Vortrag im Rahmendes ForschungspraktikumsBetreuer:PD Dr. Andreas Terfort

Institut für Anorganische und Angewandte ChemieUniversität Hamburg

Problemstellung

Selektive Beschichtungen: ortsselektiv

- bei der Generierung feiner Oberflächenstrukturen

Problemstellung

Selektive Beschichtungen: orts- bzw. strukturselektiv

- bei der Generierung feiner Oberflächenstrukturen

- für die Mikrofluidik (Mikropumpen etc.)„schaltbare“ Oberflächen

Problemstellung

Beschichtungstechniken

- Aufdampfen, Sputtern

- elektrolytisches Abscheiden

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)Tauchbad, Sprühtechniken etc.

Problemstellung

Beschichtungstechniken für Glaskapillaren?

- Aufdampfen, Sputtern

- elektrolytisches Abscheiden

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)Tauchbad, Sprühtechniken etc.

- Rinnen beschichten und erst anschließendzusammensetzen Fuge bleibt zurück

Problemstellung

Beschichtungstechniken für Glaskapillaren

- Aufdampfen, Sputtern

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)Tauchbad, Sprühtechniken etc.

- elektrolytisches Abscheiden

- Rinnen beschichten und anschließend erstzusammensetzen Fuge bleibt zurück

mit metallischem Gold ?

Problemstellung

Beschichtungstechniken für Glaskapillaren

- Aufdampfen, Sputtern

- Lackieren (Auftragen als Lösung; LM wird entfernt)Tauchbad, Sprühtechniken etc.

- elektrolytisches Abscheiden

- Rinnen beschichten und anschließend erstzusammensetzen Fuge bleibt zurück

mit metallischem Gold ?

Problemstellung

Lösung: CVD

Chemical Vapor Deposition

Precursor wird- verdampft- an die gewünschte Position gebracht- chemisch verändert (zersetzt)

Problemstellung

CVD

Precursor: Trimethylphosphin-gold-methyl

(CH3)3PAuCH32

2 Au + C2H6 + 2 (CH3)3P

Synthese des Precursors

1. Darstellung von Kaliumtetrabromoaurat

Au + 3/2 Br2 + KBr KAuBr4

2. Reduktion von Gold(III) zu Gold(I)

KAuBr4 + SO2 + 2 H2O KAuBr2 + 2 HBr + H2SO4

Synthese des Precursors

3. Darstellung von Trimethylphosphan

C Br

H

H

H

+ Mg

H

C MgBr

H

H

P

O

OO

++ 3

H

C MgBr

H

HBu2O

P

CH3

H3C CH3

3

OMgBr

Synthese des Precursors

4. Darstellung von Trimethylphosphangoldbromid

KAuBr2 + P(CH3)3 (CH3)3PAuBr + KBr

5. Ligandenaustausch Br gegen Me

(CH3)3PAuBr + CH3Li (CH3)3PAuCH3 + LiBr

6. letzte Reinigung durch Sublimation

autokatalytische Zersetzung ⇒ nur 62% Ausb.

Eigenschaften des Precursors

- hoher Dampfdruck (Sublimation bei 40-50°C bei 1 Pa)

- bei Raumtemperatur relativ stabil

- Zersetzung in Gold und flüchtige Bestandteile

akzeptable Reinheit der Goldschicht

- geringe Zersetzungstemperatur

- autokatalytische Zersetzung

Substrat-Vorbereitungen

Vorbehandlung der Objektträger

- Reinigung der Objektträger mit Tensidlösung

- Behandlung mit Schwefelsäure / H2O2

- gründliches Spülen mit dest. Wasser

- für 10 Minuten in siedende Lösung aus4% MPS, 4% Wasser in Isopropanol tauchen

- Trocknen bei 100°C

MPS

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

Si

CH2

H3COOCH3

OCH3

CH2

CH2

SH

MPS

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

Si

CH2

OO

O

CH2

CH2

SH

MPS

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

Si

CH2

OO

O

CH2

CH2

S

MPS - SAM

Mercaptopropyl-trimethoxysilan

bildet auf Glas

selbst-anordnende

Monoschichten:

Self-Assembling

Monolayers

„CVD-Anlage“ - Version 1.02

zur Beschichtung flacher Substrate

Vakuum

Präparate-Glasmit Au-Precursor

Substrat

1cm Aluminium-platte mit Silikon-beschichtung zurAbdichtung

„CVD-Anlage“ - Version 1.02

zur Beschichtung flacher Substrate

„CVD-Anlage“ - Version 1.02

zur Beschichtung flacher Substrate

CVD-Ablauf

- ca. 5-10 mg (CH3)3PAuMe in Präp.-Glas

- Substrat plazieren

- Vakuum anlegen

- Heizen

Vakuum

Präparate-Glasmit Au-Precursor

Substrat

1cm Aluminium-platte mit Silikon-beschichtung zurAbdichtung

Ergebnisse der Vorversuche

Gold bzw. Precursor schlägt sich überall nieder

- außer auf dem Objektträger.

Silikon-Dichtmasse enthält Platin-Katalysatorintensive weinrote FärbungGold-Nanopartikel im Silikon

Herdentrieb des Goldes ?

- MPS-Beschichtung (freie Thiol-Gruppe) reichtnicht zur Abscheidung eines Goldfilms

- Mögliche Lösung: Nanopartikel alsKristallisationskeime

Synthese der Nanopartikel

7. Palladium-Nanopartikel

Pd(II)-acetat

+ 0,025 äq. Tetraoctadecylammoniumbromid

in abs. THF

+ 18 äq. abs. Ethanol

12 Stunden bei 65°C rühren

N Br

Nanopartikel

Nanopartikel

Nanopartikel

Ergebnisse der Vorversuche

XPS-Spektrum der gebundenen Pd-Nanopartikel

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

0 200 400 600 800 1000 1200

Ene rgie [e V ]

Cou

nts

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

Ergebnisse der Vorversuche

XPS-Spektrum der erhaltenen Goldoberfläche

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 200 400 600 800 1000 1200

Ene rgie [e V ]

Cou

nts

Ergebnisse der Vorversuche

XPS-Spektren-Vergleich

0

50000

100000

150000

200000

250000

0 200 400 600 800 1000 1200

Energie [eV]

rel.

Inte

ns.

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

10µm

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

1µm

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- bis ca. 75°C glatter, gut haftender Goldüberzug

200nm

Micro Contact Printing

MPS gestempelt, Pd-Partikel-Tauchbad, CVD bei 70°C

Goldfilm zunächst nur auf gestempelter Flächefeine Strukturen erkennbar

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

2µm

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

200nm

Ergebnisse der Vorversuche

Temperaturabhängige Oberflächenänderung

- ab ca. 90°C matt-rötlicher, kaum haftender Belag

1µm

Wohin soll das führen?

Lotus-Effekt

= hydrophobe und extrem rauhe Oberfläche

Oberflächenspannung

Hydrophil

Θ

Oberflächenspannung

Hydrophob

Θ

Wenzel-Theorie

Schalten der Oberflächenspannung

M

S

M

S

M

S

M

S

M

S

M

S

- n e-

+ n e-

Niedrige Oberflächenenergie Hohe Oberflächenenergie

= hydrophob = hydrophil

Konzept eines Mikrofluidik-Systems

HydrophobHydrophob HydrophobHydrophilHydrophob Hydrophil

Konzept eines Mikrofluidik-Systems

Konzept eines Mikrofluidik-Systems

Konzept eines Mikrofluidik-Systems

100µm

Konzept eines Mikrofluidik-Systems

100nm

Konzept eines Mikrofluidik-Systems

Oberfläche (Kontaktwinkel) läßt sich 1x schalten

es erfolgt irreversible Veränderung der Oberfläche

Versuche mit Kapillaren

Heizmantel

zur Vakuumpumpe(verschließbar)

Kapillare(eingeklebt)

zur Vakuumpumpe(Kühlfalle

vorgeschaltet)

Precursor-vorrat

fahrbarerSchlitten

Versuche mit Kapillaren

gereinigte, nicht vorbehandelte Kapillare:

- bis 250°C keine Veränderung

- nach 1 h bei 300°C rötliche Färbung sichtbar

- nach 2,5 h rötlicher Belag an zwei Stellen deutlich sichtbar

Versuche mit Kapillaren

gereinigte, nicht vorbehandelte Kapillare:

200nm

Versuche mit Kapillaren

gereinigte, MPS- und Pd-beschichtete Kapillare:

- 3,5 h 70°C: Blaufärbung

- 3,5 h 80°C: Blaufärbung

- 3,5 h 95°C: Blaufärbung

- 6,0 h 95°C: zunächst Blau-, später Goldfärbung

- 3,5 h 110°C: Blaufärbung

- 3,5 h 125°C: Blaufärbung

Versuche mit Kapillaren

3,5 h 80°C: Blaufärbung

10µm

Versuche mit Kapillaren

6,0 h 95°C: zunächst Blau-, später Goldfärbung

Leitfähigkeit

6,0 h 95°C: zunächst Blau-, später Goldfärbung

Ω

150 Ω auf 30 mm

starke Beschädigungen des Goldfilms

Zusammenfassung

CVD zur Darstellung verschiedener Goldoberflächen

Herstellung extrem rauher Oberflächen

Goldfilm in Kapillare

leider noch kein geschlossener Film

Nächste Ziele

Variation der Parameter (mehr Kapillaren in kürzerer Zeit)

Stabilisierung der schaltbaren Oberfläche

Danke

Andreas Terfort

AK Terfort

Jörn Wochnowski, AK Heck

Frau Walter, Institut für Zoologie

Andreas Kornowski, AK Weller

AK Wiesendanger, Institut für Experimentalphysik