EP3904561A1 - Method for producing micro and nanostructures - Google Patents
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- EP3904561A1 EP3904561A1 EP20171561.2A EP20171561A EP3904561A1 EP 3904561 A1 EP3904561 A1 EP 3904561A1 EP 20171561 A EP20171561 A EP 20171561A EP 3904561 A1 EP3904561 A1 EP 3904561A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for producing metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, comprising the steps of providing an aluminum substrate; Oxidation of the aluminum substrate by applying an electrical voltage in an electrolyte; Breaking through the barrier layer by gradually reducing the voltage on the aluminum substrate; electrochemical deposition of micro- or nanostructures in the pores of the aluminum oxide layer; Dissolving the aluminum oxide layer surrounding the micro- or nanostructures by adding a solvent for aluminum oxide and releasing the micro- or nanostructures.
- nanowires are of particular industrial importance.
- a template i.e. a template
- a suitable template is e.g. anodic, porous aluminum oxide, in which the corresponding material (e.g. galvanically) is built up and deposited.
- an aluminum substrate can be anodized in a solution containing oxalic acid.
- the self-organizing layer forms orderly, parallel pores.
- a two-step procedure can improve the regular structure of the pores.
- the pores in the substrate are insulating, chemically stable and they form an ideal template for the deposition of nanowires.
- the pore diameter can be adjusted using a suitable electrolyte (usually based on organic or inorganic acids) and the corresponding flow parameters. It has been observed that, under certain conditions, current oscillations occur during the anodizing process, which manifest themselves in a corrugated shape of the nanotubes.
- the pore diameter in the template can, however, also be adjusted by chemical etching.
- the material is removed with diluted acids and the pore diameter is expanded.
- the distance between the pores can be adjusted by the electrolyte used.
- the nucleation for pores usually takes place on surface defects.
- a high-purity aluminum substrate with 99.99 to 99.999% by weight of aluminum is required for a template made of aluminum oxide in order to produce regular pores.
- Such substrates are extremely expensive and therefore not very suitable for the commercial production of nanowires.
- the use of less pure aluminum leads to irregular pores.
- the metallic structure and the surface structures are reflected in the pore growth (e.g. in the case of rolled foils).
- the anodically produced porous aluminum oxide layers (PAA, porous anodic alumina) have a barrier layer made of aluminum oxide on the side oriented towards the substrate, which barrier layer insulates the substrate material.
- the barrier layer prevents the electrodeposition of metals in the pores, as it insulates the substrate material as a non-conductive insulator.
- this barrier layer can be removed by increasing the pH locally. However, this can also damage the PAA layer or the pores. Similar results could be achieved on ITO / Al substrates or on aluminum substrates by chemical etching with phosphoric acid. This allows the conductive substrate to serve as a cathode for the deposition. Alternatively, the entire PAA layer can be coated with gold, whereby the substrate is dissolved and the nanowires are built up using the upside-down method.
- the object of the present invention is to provide a method for producing nanowires which is tolerant of impurities in the metal substrate material, which does not require expensive, high-purity aluminum or Si wafers, which would make the process uneconomical and nevertheless have high production rates.
- Cleaning steps preferably rinsing with a cleaning agent, can be provided between steps (a) to (i).
- the production of the metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, takes place according to the invention in several steps.
- the technical implementation takes place in the form of a conveyor system.
- an aluminum substrate is provided in step (a).
- the aluminum substrate is a metal belt, for example an endless belt.
- step (b) the aluminum substrate is oxidized by applying an electrical voltage in an electrolyte.
- an aluminum oxide layer is formed which has a barrier layer which is adjacent to the aluminum substrate and is largely free of pores.
- the aluminum oxide layer has an aluminum oxide layer with pores on, which is adjacent to the barrier layer.
- Step (b) is preferably carried out by anodic polarization.
- step (c) the barrier layer is broken by gradually reducing the voltage on the aluminum substrate. This is preferably done in such a way that the voltage is reduced in step (c1) and the voltage is kept constant for a period of time in step (c2), steps (c1) and (c2) preferably being repeated at least once. As a result, the pores of the aluminum oxide layer extend through the barrier layer to the aluminum substrate.
- step (d) the pores can be enlarged by adding a solvent.
- the solvent is preferably a dilute mineral acid, for example dilute phosphoric acid.
- a barrier layer can again form. This can optionally be dissolved, for example with zincate (step e).
- step (f) metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, are deposited by applying a voltage to the substrate and suitable electrolyte solutions.
- the electrochemically deposited nanowires are preferably an alloy containing at least one of the metals Ni, Co or Fe.
- the metals to be deposited or their alloys in this case Ni, Co or Fe, as well as inert materials such as noble metals or carbon, are suitable as counter electrodes in this step.
- Electrolytes can be used as electrolytes, including metal ions that correspond to the reduced metal in the metallic micro- or nanostructure.
- the corresponding metal ions in the electrolyte are required for the deposition of nanowires made of Ni, Co, Fe and their alloys.
- Ni nanowires electrolyte come with Ni 2+ ions, for nicotinamide nanowires electrolyte with Ni 2+ and Co 2+ ions in question and for CoNiFe- nanowires an electrolyte comprising Ni 2+, Co 2+ and Fe 2+ Ions.
- Table 1 shows concentrations of electrolytes for the corresponding alloys.
- Table 1 Composition of individual electrolytes Concentration [mol / L] Metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires made of metals: Ni NiCo CoNiFe NiSO 4 0.186 0.170 0.100 Ni (CH 3 COO) 2 0.170 NiCl 2 1.262 1,250 0.310 CoCl 2 0.068 0.240 FeCl 2 0.160 H 3 BO 3 0.650 0.650 0.650 NTS 0.010 0.010 0.010 5-sulfosalicylic acid 0.040
- the metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, now deposited in the pores of the aluminum oxide layer are surrounded by the aluminum oxide layer of the pores.
- the aluminum oxide layer is dissolved by adding a solvent in step (g).
- a solvent for example, chromic acid or an alkaline solution, in particular NaOH, can be added as a solvent.
- the aluminum substrate can be regenerated in step (i) (e.g. by electropolishing or mechanical processes such as grinding or polishing).
- All process steps take place on a tape that is formed from the original aluminum substrate.
- the aluminum substrate is a metal strip, the individual steps (b), (c), (d), (e), (f), (g), (i), and any rinsing steps being carried out continuously on the aluminum substrate.
- Step (h) takes place separately from the aluminum strip and can also be carried out in a continuous operation.
- step (b) the aluminum substrate is oxidized by applying an electrical voltage in an electrolyte, so that the surface of the aluminum substrate is oxidized.
- a barrier layer is formed which is adjacent to the aluminum substrate and an aluminum oxide layer with pores.
- This step (b) can be carried out by cathodic polarization.
- an electrolyte with 3 mol / l oxalic acid in which the aluminum substrate is anodically polarized 60 V at 5-10 ° C
- the complete aluminum oxide layer is built up. This consists of the structured porous aluminum oxide and the barrier layer (which interferes with the later process).
- Fig. 1 a schematic cross-section through the structure of a template is shown with the aluminum substrate Al and an aluminum oxide layer arranged thereon, which has a barrier layer BL and a subsequent porous aluminum oxide layer PAA.
- step (c) The interfering barrier layer is then removed in step (c). A potential reduction of 2 V every 30 s has proven suitable. The barrier layer breaks through. This is mandatory for the later assembly of the nanowires.
- the pores are widened by adding a solvent, a solution of 5% by weight phosphoric acid being found to be suitable and the pores being widened to the final diameter.
- the treatment time is e.g. 45 minutes and determines the final diameter (e.g. 80-120 nm).
- step (e) nanowires are deposited by applying a voltage to the substrate and suitable electrolyte solutions.
- the nanowires can now be released. This can be supported by ultrasound cleaning for e.g. 10 minutes in 2.5 M NaOH, 0.5 g / L SDS. The solution stays there overnight. The sample is further purified with water using decanting / centrifuging / dialysis or similar methods. Optionally, the nanowires can be dried in a drying cabinet or by means of lyophilization.
- the aluminum substrate can be electropolished in step (i), for example in 40.8% by volume H 3 PO 4 , 38.8% by volume ethanol and 20.4% by volume water at 30 V and 42-45 ° C. for 5 minutes the aluminum substrate can be chemically polished or treated using a mechanical process.
- the process according to the invention is a continuous process, each of steps (b) to (i) taking place in an active basin, it being possible for rinsing to take place in rinsing basins between the steps.
- the individual steps are in Fig. 6 shown schematically.
- the nanowires are isolated from basin 5 and released and cleaned according to step (i).
- the nanowires can be transferred from basin 5 to cleaning by means of settling / suctioning, centrifuging or by means of an electromagnet (in the case of magnetic nanowires).
- the nanowires can be separated or concentrated from the process medium by means of an electromagnet or a continuous centrifuge.
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähten, umfassend die Schritte (a) Bereitstellen eines Aluminiumsubstrats; (b) Oxidation des Aluminiumsubstrats durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Elektrolyten, wobei ein Teil des Aluminiumsubstrats zu einer Aluminiumoxidlage oxidiert wird, welche eine Barriereschicht aufweist, die dem Aluminiumsubstrat benachbart ist und welche eine Aluminiumoxidschicht mit Poren aufweist, die der Barriereschicht benachbart ist; (c) Durchbrechen der Barriereschicht, indem die Spannung am Aluminiumsubstrat stufenweise verringert wird; (d) gegebenenfalls Erweiterung der Poren durch Zugabe eines Lösungsmittels; (e) gegebenenfalls Auflösen der erneut in Schritt (d) gebildeten Barriereschicht; (f) elektrochemische Abscheidung von metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähten, in den Poren der Aluminiumoxidschicht; (g) Auflösen der die metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähte, umgebenden Aluminiumoxidschicht durch Zusatz eines Lösungsmittels für Aluminiumoxid und Freisetzen der metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähten; (h) gegebenenfalls Reinigung der Nanodrähte Suspension, ggf. Trocknung (i) gegebenenfalls Regenerieren des Aluminiumsubstrats; und (j) gegebenenfalls Wiederholen der Schritte (a) bis (h), wobei gegebenenfalls Spülschritte zwischen einzelnen oder mehreren Schritten (a) bis (i) vorgesehen sind, wobei das Verfahren ein kontinuierliches Bandverfahren ist, bei welchem das Aluminiumsubstrat das Band bildet und wobei jeder der Schritte (b), (d), (e), (f), (g), (i) und (j) in einem Aktivbecken erfolgt und allfällige Spülschritte in einem Spülbecken erfolgen.A method for producing metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, comprising the steps of (a) providing an aluminum substrate; (b) Oxidation of the aluminum substrate by applying an electrical voltage in an electrolyte, a part of the aluminum substrate being oxidized to form an aluminum oxide layer which has a barrier layer which is adjacent to the aluminum substrate and which has an aluminum oxide layer with pores which is adjacent to the barrier layer; (c) breaking the barrier layer by gradually reducing the stress on the aluminum substrate; (d) if necessary, widening of the pores by adding a solvent; (e) if necessary, dissolving the barrier layer formed again in step (d); (f) electrochemical deposition of metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, in the pores of the aluminum oxide layer; (g) dissolving the aluminum oxide layer surrounding the metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, by adding a solvent for aluminum oxide and releasing the metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires; (h) if necessary, cleaning of the nanowire suspension, if necessary drying (i) if necessary, regeneration of the aluminum substrate; and (j) optionally repeating steps (a) to (h), with rinsing steps optionally being provided between individual or several steps (a) to (i), the process being a continuous belt process in which the aluminum substrate forms the belt and whereby each of the steps (b), (d), (e), (f), (g), (i) and (j) takes place in an active basin and any rinsing steps take place in a sink.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Mikro- oder Nanostrukturen, vorzugweise Nanodrähten, umfassend die Schritte Bereitstellen eines Aluminiumsubstrats; Oxidation des Aluminiumsubstrats durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Elektrolyten; Durchbrechen der Barriereschicht, indem die Spannung am Aluminiumsubstrat stufenweise verringert wird; elektrochemische Abscheidung von Mikro- oder Nanostrukturen in den Poren der Aluminiumoxidschicht; Auflösen der die Mikro- oder Nanostrukturen umgebenden Aluminiumoxidschicht durch Zusatz eines Lösungsmittels für Aluminiumoxid und Freisetzen der Mikro- oder Nanostrukturen.The present invention relates to a method for producing metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, comprising the steps of providing an aluminum substrate; Oxidation of the aluminum substrate by applying an electrical voltage in an electrolyte; Breaking through the barrier layer by gradually reducing the voltage on the aluminum substrate; electrochemical deposition of micro- or nanostructures in the pores of the aluminum oxide layer; Dissolving the aluminum oxide layer surrounding the micro- or nanostructures by adding a solvent for aluminum oxide and releasing the micro- or nanostructures.
Mikro- oder Nanostrukturen werden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften in zahlreichen Gebieten der Technik eingesetzt. In der Gruppe der Mikro- oder Nanostrukturen sind Nanodrähte (oder Nanowires) industriell von besonderer Bedeutung. Von Nanodrähten spricht man, wenn es sich um Strukturen handelt, die maximal einige 100 nm Durchmesser aufweisen und die in der dritten Dimension sehr viel länger sind als in den anderen beiden. Zur Herstellung von Nanodrähten wird ein Template, d.h. eine Vorlage, benötigt, in welchem das gewünschte Material abgeschieden wird. Ein geeignetes Template ist z.B. anodisches, poröses Aluminiumoxid, in welchem das entsprechende Material (z. B. galvanisch) aufgebaut und abgeschieden wird. Beispielsweise kann ein Aluminiumsubstrat in oxalsäurehaltiger Lösung anodisiert werden. Die selbstorganisierende Schicht (anodisches Aluminiumoxid) bildet geordnete, parallele Poren. Ein Zwei-Schritt Verfahren kann den regelmäßigen Aufbau der Poren verbessern.Due to their special properties, micro- or nanostructures are used in numerous areas of technology. In the group of micro- or nanostructures, nanowires (or nanowires) are of particular industrial importance. One speaks of nanowires when it comes to structures that have a maximum diameter of a few 100 nm and that are much longer in the third dimension than in the other two. For the production of nanowires, a template, i.e. a template, is required in which the desired material is deposited. A suitable template is e.g. anodic, porous aluminum oxide, in which the corresponding material (e.g. galvanically) is built up and deposited. For example, an aluminum substrate can be anodized in a solution containing oxalic acid. The self-organizing layer (anodic aluminum oxide) forms orderly, parallel pores. A two-step procedure can improve the regular structure of the pores.
Die Poren im Substrat sind isolierend, chemisch stabil und sie bilden ein ideales Template zur Abscheidung von Nanodrähten. Der Porendurchmesser kann mithilfe eines geeigneten Elektrolyten (üblicherweise basierend auf organischen oder anorganischen Säuren) und den entsprechenden Stromparametern eingestellt werden. Es wurde beobachtet, dass unter bestimmten Bedingungen Stromoszillationen während des Anodisierungsprozesses auftreten, welche sich in einer gewellten Form der Nanoröhren manifestieren.The pores in the substrate are insulating, chemically stable and they form an ideal template for the deposition of nanowires. The pore diameter can be adjusted using a suitable electrolyte (usually based on organic or inorganic acids) and the corresponding flow parameters. It has been observed that, under certain conditions, current oscillations occur during the anodizing process, which manifest themselves in a corrugated shape of the nanotubes.
Der Porendurchmesser im Template kann allerdings auch durch chemisches Ätzen eingestellt werden. Dabei wird mit verdünnten Säuren das Material abgetragen und so der Porendurchmesser erweitert. Der Abstand zwischen den Poren kann durch den verwendeten Elektrolyten eingestellt werden.The pore diameter in the template can, however, also be adjusted by chemical etching. The material is removed with diluted acids and the pore diameter is expanded. The distance between the pores can be adjusted by the electrolyte used.
Die Keimbildung für Poren findet in der Regel an Oberflächendefekten statt. Gemäß Stand der Technik wird für ein Template aus Aluminiumoxid ein hochreines Aluminiumsubstrat mit 99,99 bis 99,999 Gew. % Aluminium benötigt, um regelmäßige Poren zu erzeugen. Solche Substrate sind extrem kostspielig und daher für die kommerzielle Herstellung von Nanodrähten nur wenig geeignet. Die Verwendung von weniger reinem Aluminium führt zu unregelmäßigen Poren. Außerdem spiegelt sich das metallische Gefüge, sowie die Oberflächenstrukturen im Porenwachstum wider (z. B. bei gewalzten Folien).The nucleation for pores usually takes place on surface defects. According to the prior art, a high-purity aluminum substrate with 99.99 to 99.999% by weight of aluminum is required for a template made of aluminum oxide in order to produce regular pores. Such substrates are extremely expensive and therefore not very suitable for the commercial production of nanowires. The use of less pure aluminum leads to irregular pores. In addition, the metallic structure and the surface structures are reflected in the pore growth (e.g. in the case of rolled foils).
Die anodisch hergestellten porösen Aluminiumoxidschichten (PAA, porous anodic alumina) weisen an der zum Substrat orientierten Seite eine Barriereschicht aus Aluminiumoxid auf, die das Substratmaterial isoliert. Die Barriereschicht verhindert eine galvanische Abscheidung von Metallen in den Poren, da sie als nichtleitender Isolator das Substratmaterial isoliert.The anodically produced porous aluminum oxide layers (PAA, porous anodic alumina) have a barrier layer made of aluminum oxide on the side oriented towards the substrate, which barrier layer insulates the substrate material. The barrier layer prevents the electrodeposition of metals in the pores, as it insulates the substrate material as a non-conductive insulator.
Auf Siliziumwafern konnte gezeigt werden, dass diese Barriereschicht durch lokale Erhöhung des pH-Wertes entfernt werden kann. Jedoch kann es dabei auch zu einer Beschädigung der PAA-Schicht oder der Poren kommen. Ähnliche Ergebnisse konnten auf ITO/Al Substraten erzielt werden, bzw. auf Aluminiumsubstraten durch chemisches Ätzen mit Phosphorsäure. Dadurch kann das leitfähige Substrat als Kathode für die Abscheidung dienen. Alternativ kann die komplette PAA-Schicht mit Gold beschichtet werden, wobei das Substrat aufgelöst wird und der Aufbau der Nanowires im Upside-Down-Verfahren geschieht.It could be shown on silicon wafers that this barrier layer can be removed by increasing the pH locally. However, this can also damage the PAA layer or the pores. Similar results could be achieved on ITO / Al substrates or on aluminum substrates by chemical etching with phosphoric acid. This allows the conductive substrate to serve as a cathode for the deposition. Alternatively, the entire PAA layer can be coated with gold, whereby the substrate is dissolved and the nanowires are built up using the upside-down method.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von metallischen Micro- oder Nanostrukturen sind extrem aufwändig, benötigen sehr reine Substrate und die Produktionsrate ist niedrig.The known processes for the production of metallic micro- or nanostructures are extremely complex, require very pure substrates and the production rate is low.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Nanodrähten, welches tolerant gegenüber Verunreinigungen im Metallsubstratmaterial ist, welche kein teures, hochreines Aluminium bzw. Si-Wafer benötigt, welche den Prozess unwirtschaftlich machen würden und trotzdem hohe Produktionsraten aufweist.The object of the present invention is to provide a method for producing nanowires which is tolerant of impurities in the metal substrate material, which does not require expensive, high-purity aluminum or Si wafers, which would make the process uneconomical and nevertheless have high production rates.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähten, umfassend die Schritte
- (a) Bereitstellen eines Aluminiumsubstrats;
- (b) Oxidation des Aluminiumsubstrats durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Elektrolyten, wobei ein Teil des Aluminiumsubstrats zu einer Aluminiumoxidlage oxidiert wird, welche eine Barriereschicht aufweist, die dem Aluminiumsubstrat benachbart ist und welche eine Aluminiumoxidschicht mit Poren aufweist, die der Barriereschicht benachbart ist;
- (c) Durchbrechen der Barriereschicht, indem die Spannung am Aluminiumsubstrat stufenweise verringert wird;
- (d) gegebenenfalls Erweiterung der Poren durch Zugabe eines Lösungsmittels;
- (e) gegebenenfalls anschließendes Auflösen der erneut in Schritt (d) gebildeten Barriereschicht;
- (f) elektrochemische Abscheidung von metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähten, in den Poren der Aluminiumoxidschicht;
- (g) Auflösen der die metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähte, umgebenden Aluminiumoxidschicht durch Zusatz eines Lösungsmittels für Aluminiumoxid und Freisetzen der metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähten;
- (h) gegebenenfalls Reinigung der Nanodrähte Suspension und gegebenenfalls Trocknung;
- (i) gegebenenfalls Regenerieren des Aluminiumsubstrats; und
- (j) gegebenenfalls Wiederholen der Schritte (a) bis (h),
wobei das erfindungsgemäße Verfahren ein kontinuierliches Bandverfahren ist, bei welchem das Aluminiumsubstrat das Band bildet und wobei jeder der Schritte (b), (d), (e), (f), (g), (i) in einem Aktivbecken erfolgt und allfällige Spülschritte in einem Spülbecken erfolgen.This object is achieved by a method for producing metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, comprising the steps
- (a) providing an aluminum substrate;
- (b) Oxidation of the aluminum substrate by applying an electrical voltage in an electrolyte, part of the aluminum substrate being oxidized to form an aluminum oxide layer which has a barrier layer which is adjacent to the aluminum substrate and which has an alumina layer with pores adjacent to the barrier layer;
- (c) breaking the barrier layer by gradually reducing the stress on the aluminum substrate;
- (d) if necessary, widening of the pores by adding a solvent;
- (e) optionally subsequent dissolving of the barrier layer formed again in step (d);
- (f) electrochemical deposition of metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, in the pores of the aluminum oxide layer;
- (g) dissolving the aluminum oxide layer surrounding the metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, by adding a solvent for aluminum oxide and releasing the metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires;
- (h) if necessary, cleaning of the nanowire suspension and if necessary drying;
- (i) optionally regenerating the aluminum substrate; and
- (j) if necessary, repeating steps (a) to (h),
wherein the process according to the invention is a continuous belt process in which the aluminum substrate forms the belt and wherein each of steps (b), (d), (e), (f), (g), (i) takes place in an active pool and any Rinsing steps take place in a sink.
Zwischen den Schritten (a) bis (i) können Reinigungsschritte, vorzugsweise Spülungen mit einem Reinigungsmittel, vorgesehen sein.Cleaning steps, preferably rinsing with a cleaning agent, can be provided between steps (a) to (i).
Die Herstellung der metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähte, passiert erfindungsgemäß in mehreren Schritten. Die technische Umsetzung erfolgt in Form einer Bandanlage.The production of the metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, takes place according to the invention in several steps. The technical implementation takes place in the form of a conveyor system.
Zunächst wird in Schritt (a) ein Aluminiumsubstrat bereitgestellt. Das Aluminiumsubstrat ist dabei ein Metallband, beispielsweise ein Endlosband.First, an aluminum substrate is provided in step (a). The aluminum substrate is a metal belt, for example an endless belt.
In Schritt (b) erfolgt eine Oxidation des Aluminiumsubstrats durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Elektrolyten. Dabei bildet sich eine Aluminiumoxidlage, die eine Barriereschicht aufweist, die dem Aluminiumsubstrat benachbart ist und weitestgehend frei von Poren ist. Außerdem weist die Aluminiumoxidlage eine Aluminiumoxidschicht mit Poren auf, die der Barriereschicht benachbart ist. Bevorzugt erfolgt Schritt (b) durch anodische Polarisation.In step (b), the aluminum substrate is oxidized by applying an electrical voltage in an electrolyte. In the process, an aluminum oxide layer is formed which has a barrier layer which is adjacent to the aluminum substrate and is largely free of pores. In addition, the aluminum oxide layer has an aluminum oxide layer with pores on, which is adjacent to the barrier layer. Step (b) is preferably carried out by anodic polarization.
In Schritt (c) wird die Barriereschicht durchbrochen, indem die Spannung am Aluminiumsubstrat stufenweise verringert wird. Dies erfolgt bevorzugt derart, dass in Schritt (c1) die Spannung verringert wird und in Schritt (c2) die Spannung für eine Zeitspanne konstant gehalten wird, wobei die Schritte (c1) und (c2) vorzugsweise mindestens einmal wiederholt werden. Dadurch verlängern sich die Poren der Aluminiumoxidschicht durch die Barriereschicht hin zum Aluminiumsubstrat.In step (c) the barrier layer is broken by gradually reducing the voltage on the aluminum substrate. This is preferably done in such a way that the voltage is reduced in step (c1) and the voltage is kept constant for a period of time in step (c2), steps (c1) and (c2) preferably being repeated at least once. As a result, the pores of the aluminum oxide layer extend through the barrier layer to the aluminum substrate.
In Schritt (d) können die Poren durch Zugabe eines Lösungsmittels erweitert werden. Bevorzugt ist das Lösungsmittel eine verdünnte Mineralsäure, beispielsweise verdünnte Phosphorsäure. Während der Erweiterung der Poren in Schritt (d), bzw. in einem der Spülschritte kann es wieder zur Bildung einer Barriereschicht kommen. Diese kann gegebenenfalls aufgelöst werden, beispielsweise mit Zinkat (Schritt e).In step (d) the pores can be enlarged by adding a solvent. The solvent is preferably a dilute mineral acid, for example dilute phosphoric acid. During the expansion of the pores in step (d) or in one of the rinsing steps, a barrier layer can again form. This can optionally be dissolved, for example with zincate (step e).
In Schritt (f) werden metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugsweise Nanodrähte durch Anlegen einer Spannung an das Substrat und geeignete Elektrolytlösungen abgeschieden. Bevorzugt sind die elektrochemisch abgeschiedenen Nanodrähte eine Legierung, wobei mindestens eines der Metalle Ni, Co oder Fe enthalten ist. Als Gegenelektroden in diesem Schritt eignen sich die abzuscheidenden Metalle oder deren Legierungen (in diesem Fall Ni, Co oder Fe), sowie inerte Materialien, wie Edelmetalle oder Kohlenstoff.In step (f), metallic microstructures or nanostructures, preferably nanowires, are deposited by applying a voltage to the substrate and suitable electrolyte solutions. The electrochemically deposited nanowires are preferably an alloy containing at least one of the metals Ni, Co or Fe. The metals to be deposited or their alloys (in this case Ni, Co or Fe), as well as inert materials such as noble metals or carbon, are suitable as counter electrodes in this step.
Als Elektrolyt kommen Elektrolyte in Frage, umfassend Metallionen die dem reduzierten Metall in der metallischen Micro- oder Nanostruktur entsprechen. Für die Abscheidung von Nanodrähten aus Ni, Co, Fe und deren Legierungen werden die entsprechenden Metallionen im Elektrolyten benötigt. Für die Abscheidung von Ni-Nanodrähten kommen Elektrolyten mit Ni2+ Ionen, für NiCo- Nanodrähte Elektrolyten mit Ni2+ und Co2+ Ionen in Frage und für CoNiFe- Nanodrähte ein Elektrolyt umfassend Ni2+, Co2+ und Fe2+ Ionen.Electrolytes can be used as electrolytes, including metal ions that correspond to the reduced metal in the metallic micro- or nanostructure. The corresponding metal ions in the electrolyte are required for the deposition of nanowires made of Ni, Co, Fe and their alloys. For the deposition of Ni nanowires electrolyte come with Ni 2+ ions, for nicotinamide nanowires electrolyte with Ni 2+ and Co 2+ ions in question and for CoNiFe- nanowires an electrolyte comprising Ni 2+, Co 2+ and Fe 2+ Ions.
Die folgende Tabelle 1 zeigt Konzentrationen von Elektrolyten für die entsprechende Legierungen.
Für diese Elektrolyten wurde in der Literatur die Gleichstrom-, bzw. gepulste Abscheidung beschrieben. NiCo wurde unter Gleichstrom (1,0 - 2,5 A/dm2) abgeschieden. Bessere Ergebnisse ergaben sich durch Pulse-reverse Beschichtung. Der kathodische Pulse ist 60 ms gefolgt von einem Reverse-Puls von 20 ms. Die Stromdichten waren derart eingestellt, dass der kathodische Ladungsumsatz doppelt so hoch wie der anodische. Das Ergebnis waren glattere Schichten im Vergleich zur Gleichstromabscheidung. Die beschriebenen Elektrolyten wären auch im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar.For these electrolytes, direct current or pulsed deposition has been described in the literature. NiCo was deposited under direct current (1.0-2.5 A / dm 2 ). Pulse-reverse coating gave better results. The cathodic pulse is 60 ms followed by a reverse pulse of 20 ms. The current densities were set in such a way that the cathodic charge conversion was twice as high as the anodic one. The result was smoother layers compared to direct current deposition. The electrolytes described could also be used in the method according to the invention.
Die nunmehr in den Poren der Aluminiumoxidschicht abgeschiedenen metallischen Micro- oder Nanostrukturen, vorzugweise Nanodrähte werden von der Aluminiumoxidschicht der Poren umgeben. Durch Zusatz eines Lösungsmittels in Schritt (g) wird die Aluminiumoxidschicht aufgelöst. Als Lösungsmittel kann zum Beispiel Chromsäure oder eine alkalischen Lösung, insbesondere NaOH, zugesetzt werden.The metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, now deposited in the pores of the aluminum oxide layer are surrounded by the aluminum oxide layer of the pores. The aluminum oxide layer is dissolved by adding a solvent in step (g). For example, chromic acid or an alkaline solution, in particular NaOH, can be added as a solvent.
Das Aluminiumsubstrat kann in Schritt (i) regeneriert (z. B. durch Elektropolieren oder mechanische Verfahren wie Schleifen oder Polieren) werden.The aluminum substrate can be regenerated in step (i) (e.g. by electropolishing or mechanical processes such as grinding or polishing).
Sämtliche Verfahrensschritte erfolgen auf einem Band, welches vom ursprünglichen Aluminiumsubstrat gebildet wird. Das Aluminiumsubstrat ist dabei ein Metallband, wobei die einzelnen Schritte (b), (c), (d), (e), (f), (g), (i), sowie allfällige Spülschritte kontinuierlich auf dem Aluminiumsubstrat durchgeführt werden. Schritt (h) findet getrennt von dem Aluminiumband statt und kann ebenfalls in einem kontinuierlichen Betrieb gestaltet werden. Somit befinden sich während das Verfahren läuft auf dem Aluminiumsubstrat einzelne Bereiche, in denen die Verfahrensschritte parallel nebeneinander laufen.All process steps take place on a tape that is formed from the original aluminum substrate. The aluminum substrate is a metal strip, the individual steps (b), (c), (d), (e), (f), (g), (i), and any rinsing steps being carried out continuously on the aluminum substrate. Step (h) takes place separately from the aluminum strip and can also be carried out in a continuous operation. Thus, while the process is running, there are individual areas on the aluminum substrate in which the process steps run parallel to one another.
- Fig. 1Fig. 1
- zeigt schematisch ein Aluminiumsubstrat (Al) mit einer Barriereschicht (BL) sowie einer porösen Aluminiumoxidschicht (PAA).shows schematically an aluminum substrate (Al) with a barrier layer (BL) and a porous aluminum oxide layer (PAA).
- Fig. 2aFig. 2a
- zeigt eine Draufsicht auf eine poröse Aluminiumoxidschicht, sodass die Poren erkennbar sind.shows a plan view of a porous aluminum oxide layer, so that the pores can be seen.
- Fig. 2bFigure 2b
- zeigt einen Schnitt durch ein Template mit einer Aluminiumsubstratschicht (unten), einer Barriereschicht (Mitte) und einer porösen Aluminiumoxidschicht (oben).shows a section through a template with an aluminum substrate layer (bottom), a barrier layer (middle) and a porous aluminum oxide layer (top).
- Fig. 3Fig. 3
- zeigt NiCo Nanodrähte, die erfindungsgemäß in einer Aluminiumoxidschicht abgeschieden und freigesetzt wurden.shows NiCo nanowires which, according to the invention, were deposited and released in an aluminum oxide layer.
- Fig. 4Fig. 4
-
zeigt die gereinigten NiCo Nanodrähte aus
Fig. 3 nach Reinigung.shows the cleaned NiCo nanowiresFig. 3 after cleaning. - Fig. 5Fig. 5
- zeigt NiCo Nanodrähte, die mit Pulsparameter gemäß Stand der Technik hergestellt wurden.shows NiCo nanowires that were manufactured with pulse parameters according to the state of the art.
- Fig. 6Fig. 6
- zeigt schematisch eine Bandanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.shows schematically a conveyor system for carrying out the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten geschieht auf einem Aluminiumsubstrat mit einer Reinheit, die geringer als 99.99 Gew.% sein kann. Zunächst wird in Schritt (b) das Aluminiumsubstrat durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Elektrolyten oxidiert, sodass die Oberfläche des Aluminiumsubstrats oxidiert wird. Es bildet sich eine Barriereschicht, die dem Aluminiumsubstrat benachbart ist und eine Aluminiumoxidschicht mit Poren. Dieser Schritt (b) kann durch kathodische Polarisation erfolgen. Geeignet hat sich z.B. ein Elektrolyt mit 3 mol/l Oxalsäure erwiesen, in welchem das Aluminiumsubstrat anodisch polarisiert (60 V bei 5-10 °C) wird. In diesem Schritt wird die komplette Aluminiumoxidschicht aufgebaut. Diese besteht aus dem strukturierten porösen Aluminiumoxid und der (für den späteren Prozess störenden) Barriereschicht.The method according to the invention for producing nanowires takes place on an aluminum substrate with a purity that can be less than 99.99% by weight. First, in step (b), the aluminum substrate is oxidized by applying an electrical voltage in an electrolyte, so that the surface of the aluminum substrate is oxidized. A barrier layer is formed which is adjacent to the aluminum substrate and an aluminum oxide layer with pores. This step (b) can be carried out by cathodic polarization. For example, an electrolyte with 3 mol / l oxalic acid in which the aluminum substrate is anodically polarized (60 V at 5-10 ° C) has proven suitable. In this step the complete aluminum oxide layer is built up. This consists of the structured porous aluminum oxide and the barrier layer (which interferes with the later process).
In
In den
In Schritt (c) wird anschließend die störende Barriereschicht entfernt. Geeignet hat sich eine Potentialverringerung alle 30 s um 2 V erwiesen. Dabei bricht die Barriereschicht durch. Dies ist für den späteren Aufbau der Nanodrähte obligatorisch.The interfering barrier layer is then removed in step (c). A potential reduction of 2 V every 30 s has proven suitable. The barrier layer breaks through. This is mandatory for the later assembly of the nanowires.
Im optionalen Schritt (d) werden die Poren durch Zugabe eines Lösungsmittels erweitert, wobei sich eine Lösung aus 5 Gew.% Phosphorsäure als geeignet herausgestellt hat und wobei die Poren auf den finalen Durchmesser erweitert werden. Die Behandlungsdauer beträgt z.B. 45 min und bestimmt den finalen Durchmesser (z. B. 80-120 nm).In the optional step (d), the pores are widened by adding a solvent, a solution of 5% by weight phosphoric acid being found to be suitable and the pores being widened to the final diameter. The treatment time is e.g. 45 minutes and determines the final diameter (e.g. 80-120 nm).
Da sich im Anschluss an Schritt (d) wieder eine dünne Oxidschicht an den Porenansätzen bildet (neue Barriereschicht), muss diese vor dem Aufbau der Nanodrähte entfernt werden. Diese kann mit Zinkat aufgelöst werden gemäß den folgenden Bedingungen: Ultraschallunterstützte Behandlung bei 30 °C für 40 s in folgender Lösung:
- 120 g/l Natriumhydroxid
- 20 g/l Zinkoxid
- 50 g/l Kaliumnatriumtartrat
- 2 g/l Eisen(III)chlorid.
- 120 g / l sodium hydroxide
- 20 g / l zinc oxide
- 50 g / l potassium sodium tartrate
- 2 g / l iron (III) chloride.
In Schritt (e) werden Nanodrähte durch Anlegen einer Spannung an das Substrat und geeignete Elektrolytlösungen abgeschieden.In step (e), nanowires are deposited by applying a voltage to the substrate and suitable electrolyte solutions.
Zum Aufbau der Nanodrähte wird aus einem Elektrolyten für NiCo Schichten (siehe Tabelle 1) abgeschieden und die Pulsparameter sind:
- 0,23 A/dm2 für 10 ms
- Off-Zeit für 25 ms
- 0.23 A / dm 2 for 10 ms
- Off time for 25 ms
Die so abgeschiedenen Nanodrähte, die sich noch in der Aluminiumoxidschicht mit Poren befinden, sind in
Die die Nanodrähte umgebende Aluminiumoxidschicht wird z.B. aufgelöst durch Chromsäure oder NaOH:
- a) Chromsäure: 0,5 M Phosphorsäure und 0,2 M Chrom(VI)oxid bei 60 °C für 30 min, anschließend 10 min ultraschallunterstützt. Das Aluminiumsubstrat wird in diesem Fall nicht angegriffen und kann für weitere Synthesen verwendet werden.
- b) NaOH: die PAA Schicht wird in einer NaOH Lösung entfernt. Das Aluminiumsubtrat wird in diesem Fall ebenfalls angegriffen und muss für eine weitere Verwendung vorbehandelt werden.
- a) Chromic acid: 0.5 M phosphoric acid and 0.2 M chromium (VI) oxide at 60 ° C for 30 min, then ultrasonically assisted for 10 min. In this case, the aluminum substrate is not attacked and can be used for further syntheses.
- b) NaOH: the PAA layer is removed in a NaOH solution. In this case, the aluminum substrate is also attacked and must be pretreated for further use.
Die Nanodrähte können nunmehr freigesetzt werden. Dabei kann unterstützend für z.B. 10 min im Ultraschall gereinigt werden in 2,5 M NaOH, 0,5 g/L SDS. Die Lösung bleibt über Nacht stehen. Die Probe wird weiter mittels Dekantieren/Zentrifugieren/Dialyse oder ähnlichen Verfahren mit Wasser gereinigt. Optional können die Nanodrähte im Trockenschrank, bzw. mittels Lyophilisierung getrocknet werden.The nanowires can now be released. This can be supported by ultrasound cleaning for e.g. 10 minutes in 2.5 M NaOH, 0.5 g / L SDS. The solution stays there overnight. The sample is further purified with water using decanting / centrifuging / dialysis or similar methods. Optionally, the nanowires can be dried in a drying cabinet or by means of lyophilization.
Das Aluminiumsubstrat kann in Schritt (i) durch Elektropolieren z.B. in 40,8 Vol% H3PO4, 38,8 Vol% Ethanol und 20,4 Vol% Wasser bei 30 V und 42-45 °C für 5 min. Alternativ kann das Aluminiumsubstrat chemisch poliert oder mithilfe eines mechanischen Verfahrens behandelt werden.The aluminum substrate can be electropolished in step (i), for example in 40.8% by volume H 3 PO 4 , 38.8% by volume ethanol and 20.4% by volume water at 30 V and 42-45 ° C. for 5 minutes the aluminum substrate can be chemically polished or treated using a mechanical process.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein kontinuierliches Verfahren, wobei jeder der Schritte (b) bis (i) in einem Aktivbecken erfolgt, wobei zwischen den Schritten Spülungen in Spülbecken erfolgen können. Die einzelnen Schritte sind in
In einem kontinuierlichen Bandverfahren wird Aluminium als Substratmaterial als Band über Rollen in die einzelnen Prozessbecken transferiert. Dabei finden in den folgenden Becken die einzelnen Schritte statt:
- Aktivbecken 1: Schritte (a) bis (c)
- Spülbecken (Reinigung)
- Aktivbecken 2: Schritt (d)
- Spülbecken S
- Aktivbecken 3: Schritt (e)
- Spülbecken S
- Aktivbecken 4: Schritt (f)
- Spülbecken S
- Aktivbecken 5: Schritt (g)
- Aktivbecken 6: (h)
- Spülbecken S
- Aktivbecken 7: Schritt (i)
- Spülbecken S
- Active pool 1: steps (a) to (c)
- Sink (cleaning)
- Active pool 2: step (d)
- Sink S
- Active pool 3: step (e)
- Sink S
- Active pool 4: step (f)
- Sink S
- Active pool 5: step (g)
- Active pool 6: (h)
- Sink S
- Active pool 7: step (i)
- Sink S
Die Nanodrähte werden aus Becken 5 isoliert und gemäß Schritt (i) freigesetzt und gereinigt. Im Batch-Betrieb können die Nanodrähte mittels Absetzen/Absaugen, Zentrifugieren oder mittels Elektromagnet (bei magnetischen Nanodrähten) aus Becken 5 in die Reinigung transferiert werden. Für einen kontinuierlichen Betrieb kann man die Nanodrähte mittels Elektromagnet oder einer kontinuierlichen Zentrifuge von dem Prozessmedium separieren, bzw. aufkonzentrieren.The nanowires are isolated from
In einem vergleichenden Beispiel wurden in Schritt f Stromparameter aus der Literatur (
Claims (13)
wobei das Verfahren ein kontinuierliches Bandverfahren ist, bei welchem das Aluminiumsubstrat das Band bildet und wobei jeder der Schritte (b), (d), (e), (f), (g), (i) und (j) in einem Aktivbecken erfolgt und allfällige Spülschritte in einem Spülbecken erfolgen.A method for the production of metallic micro- or nanostructures, preferably nanowires, comprising the steps
wherein the process is a continuous belt process in which the aluminum substrate forms the belt and wherein each of steps (b), (d), (e), (f), (g), (i) and (j) in an active pool takes place and any rinsing steps are carried out in a sink.
Bereitstellen des Elektrolyten, Eintauchen des Substrats, Anlegen eines spannungs- oder stromkontrollierten Signals gegen eine Gegenelektrode geeigneten Materials.Method according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the electrochemical deposition in step (f) comprises the following steps:
Provision of the electrolyte, immersion of the substrate, application of a voltage or current-controlled signal against a counter electrode suitable material.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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EP20171561.2A EP3904561A1 (en) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | Method for producing micro and nanostructures |
PCT/EP2021/060934 WO2021219606A1 (en) | 2020-04-27 | 2021-04-27 | Method for producing micro- and nanostructures |
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TANG: "Pulse reversal plating of nickel alloys", TRANSACTIONS OF THE INSTITUTE ME TAL FINISHING, vol. 85, 2007, XP001504334, DOI: 10.1179/174591907X162459 |
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