Neue Chemie für ultradünne Gassensoren |
Die Anwendung von Zinkoxidschichten in der Industrie ist vielfältig und erstreckt sich vom Schutz verderblicher Waren vor Luft bis zur Detektion von giftigen Stickoxiden. Solche Schichten können mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic layer deposition, kurz ALD) hergestellt werden, die normalerweise Vorläuferchemikalien, sogenannte Präkursoren, einsetzt, die sich an der Luft sofort entzünden. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat jetzt einen neuen Herstellungsprozess etabliert, der auf nicht selbstentzündlichen Präkursoren basiert und bei so niedrigen Temperaturen abläuft, dass auch Kunststoffe beschichtet werden können.
Ultradünne Schichten aufbringen
Um einen Sensor für
Stickstoffdioxid (NO2) herzustellen, muss eine dünne Schicht
nanostrukturiertes Zinkoxid (ZnO) auf ein Sensorsubstrat aufgebracht und
anschließend in ein elektrisches Bauteil eingebunden werden. Das Team
von Prof. Dr. Anjana Devi nutzte ALD, um ultradünne ZnO-Schichten auf
solche Sensorsubstrate aufzubringen.
Generell werden in der
Industrie ALD-Prozesse eingesetzt, um mittels ultradünner Schichten, die
teilweise nur wenige Atomlagen dick sind, elektrische Bauteile zu
miniaturisieren und gleichzeitig die Effektivität zu erhöhen. Dafür sind
Präkursoren notwendig, die im ALD-Prozess auf einer Oberfläche
reagieren und so eine dünne Schicht bilden. „Die Chemie hinter
ALD-Prozessen ist also essenziell und hat großen Einfluss auf die
resultierenden Schichten“, unterstreicht Anjana Devi.
Sichere Handhabung und höchste Qualität
In
der Industrie werden ZnO-Schichten bisher mit einem extrem reaktiven
Zinkpräkursor hergestellt, der sich an Luft sofort entzündet, Experten
nennen das pyrophor. „Der Schlüssel für die Entwicklung eines sicheren
ALD-Prozesses war die Erforschung eines neuen, nicht pyrophoren
Präkursors, der sicher gehandhabt werden kann und in der Lage ist
ZnO-Schichten in der höchsten Qualität herzustellen“, so Lukas Mai,
Erstautor der Studie. „Die Herausforderung war es, eine alternative
Chemie zu finden, die in der Lage ist, pyrophore, industriell verwendete
Verbindungen zu ersetzen.“
Das Besondere am neuen Prozess ist,
dass dieser sogar bei geringen Temperaturen möglich ist, was das
Beschichten von Kunststoffen ermöglicht. Somit ist der neue Prozess
nicht nur für die Herstellung von Gassensoren geeignet, sondern auch für
Gasbarriereschichten. Sie werden in der Industrie auf Plastik
aufgebracht und dafür genutzt, empfindliche Waren wie Lebensmittel und
Medikamente vor Luft zu schützen.
Den Artikel finden Sie unter:
https://news.rub.de/wissenschaft/2020-07-01-materialforschung-neue-chemie-fuer-ultraduenne-gassensoren
Quelle: Ruhr-Universität Bochum (07/2020)
Publikation: Lukas
Mai et al.: Zinc Oxide: From precursor chemistry to gas sensors:
Plasma-enhanced atomic layer deposition process engineering for zinc
oxide layers from a nonpyrophoric zinc precursor for gas barrier and
sensor applications, in: Small, 2020, DOI: 10.1002/smll.202070122 |