Katedra chemie FP TUL Chemické metody přípravy vrstev

Transkript

1 Chemické metody přípravy vrstev

2 Metoda sol-gel

3 Historie nejstarší příprava silikagelu 1939 patent na výrobu antireflexních vrstev na fotografické čočky 60. léta studium vrstev SiO 2 a TiO léta výroba plochých skel s vrstvami 90. léta rychlý rozvoj

4 první velké firmy Schott Mainz (SRN) plochá skla 3M (USA) vlákna v současné době je minimálně 40 výrobních firem specializovaných na technologie založené na metodě sol-gel

5

6 Pod pojmem metoda sol-gel rozumíme skupinu postupů přípravy oxidických a příbuzných materiálů, jejichž společnými znaky jsou homogenizace výchozích složek ve formě roztoku, jejich převod na sol a následně na gel při zachování jejich homogenity.

7

8 Metoda sol-gel sol gel xerogel

9 Struktura molekul tetraethoxysilanu (a) a tetraisopropyl titanátu (b) a) b) CH 3 O CH 2 CH 3 CH 3 O CH CH 3 CH 3 CH 2 O Si O CH 2 CH 3 CH 3 CH O Ti O CH CH 3 O CH 2 CH 3 CH 3 CH O CH 3 CH 3

10 Hydrolýza O R O R R O Si O R + H 2 O R O Si O H + ROH O R O R O R O H R O Si O R + 4 H 2 O H O Si O H + 4 ROH O R O H

11 Polykondenzace O R O R O R O R R O Si O R + H O Si O R R O Si O Si O R + ROH O R O R O R O R O R O R O R O R R O Si O H + H O Si O H R O Si O Si O H + H 2 O O R O R O R O R

12 Alkylalkoxysilany dva typy vazeb mezi uhlíkem a křemíkem vazby C O Si hydrolyzovatelné vazby C Si nehydrolyzovatelné kovalentní vazby Si C jsou odolné vůči hydrolýze a proto jsou při opatrném tepelném zpracování zachovány i ve výsledném produktu, důsledkem vznik hybridních anorganicko-organických polymerů

13 Struktura molekul dimethyldimethoxysilanu (a) a vinyltriethoxysilanu (b) a) b) CH 3 O CH 2 CH 3 CH 3 O Si O CH 3 CH 3 CH 2 O Si CH = CH 2 CH 3 O CH 2 CH 3

14 Nové směry ve využití metody sol-gel nové typy hybridních anorganicko-organických materiálů v různých formách pro materiálové inženýrství a speciální výroby

15 Nové směry ve využití metody sol-gel speciální vrstvy pro elektroniku, elektrotechniku, optiku, senzoriku, ochranu a modifikaci povrchových vlastností materiálů, biotechnologii, medicínu

16 Vrstva SiO 2 na sitalu

17 SiO 2 na polyamidu

18 Lambda senzor

19 Core-shell částice

20 Nanovlákna SiO 2

21 Nové směry ve využití metody sol-gel příprava kompozitů pro nové průmyslové aplikace

22 Nanokompozity Rozptýlení předem připravených nanočástic v solu Vznik nanočástic během přípravy materiálu

23 Rozptyl předem připravených nanočástic Řada problémů Tvorba nežádoucích agregátů nanočástic a nepravidelné rozptýlení nanočástic ve hmotě Ani použití ultrazvuku a povrchově aktivních látek neposkytuje vždy uspokojivé výsledky

24 Vznik nanočástic během přípravy materiálu sloučeniny prvků tvořících budoucí nanočástice (alkoxidy, organické komplexy kovů apod.) se rozpustí v roztoku a nanočástice vzniknou během přípravy

25

26 Oxid železitý v organické matrici

27

28

29 Modifikace povrchu

30

31 Silylace Trimethylchlorsilan Hexamethyldisilazan

32 Silylace reakce také s COOH, =NH, -NH 2, -SH

33 Nereaktivní skupiny

34 Reaktivní skupiny 3-aminopropyltrimethoxysilan

35 Imobilizace organických látek Imobilizace enzymů, analytických činidel nebo barviv Reakce povrchových skupin Si OH s 3-aminopropyltrimethoxysilanem, dojde ke kovalentnímu navázání organických reaktivních skupin

36 Biosenzor

37 Povrchově aktivní látky PAL ovlivňují povrchové napětí roztoků Aniontové PAL alkalické soli vyšších mastných kyselin (mýdla) Kationtové PAL hlavně čtyřsytné amonné báze (oktadecylamoniumchlorid) Neionogenní PAL oxyethyleny elektrolyticky nedisociují

38 Povrchové filmy monomolekulární Langmuirovy filmy PAL na polární kapalině (vodě), 0,205 nm 2 na 1 molekulu, tloušťka dána délkou uhlovodíkového řetězce (0,14 nm na skupinu CH 2 -)

39 Povrchové filmy použití: omezení výparu z rezervoárů vody v suchých oblastech velmi tenké filmy z nerozpustných látek filmy také na pevných látkách PAL (např. barnatá sůl kyseliny stearové), silně hydrofobní povrchy např. skla, ale pouze van der Waalsovy síly

40 Tenké vrstvy drahých kovů Vedle naprašovaných vrstev se připravují vrstvy Au a Pt také tepelným rozkladem rezinátů (kolem 10 hmotn. % kovu jako organické sloučeniny příslušné soli s fermeží) Nanášení sítotiskem (mikroelektronika) nebo štětcem (malování skla a keramiky) Výpal nad 500 C, výsledná tloušťka kovu 20 až 400 nm

41 Listry Obdoba vrstev Au a Pt, také rezináty a obdobné organické sloučeniny, ale vznikají oxidické vrstvy (Bi, Sn, Fe, Cu, Ag, Mn, Cr atd.) Nanášení stříkáním nebo namáčením, výpal v oxidační atmosféře, průhledné s vysokým indexem lomu (vysoký lesk), většinou interferenční barvy, zvyšují mechanickou odolnost povrchu a zlepšují vzhled (bižuterie)

42 Tepelný rozklad par Rozklad par chloridu cínatého (případně s dalšími příměsemi), teplota varu 600 C, na horkém povrchu (skla, keramiky), vedení par nebo roztoku do vyhřívaného prostoru Vznikají irizující vrstvy, hlavně bižuterie

43 CVD Chemical Vapor Deposition chemická depozice z plynné fáze chemické i fyzikální aspekty, příprava tenkých vrstev pro mikroelektroniku a optiku, většinou za sníženého tlaku a za působení dalších vlivů (plazma, elektrické pole, ultrazvuk)

44 Elektrochemické metody Elektrolytické pokovování Faradayův zákon m teor. = M z. F. Q = M z. F. I. t m teor. hmotnost chemicky vyloučené látky M molární hmotnost látky z počet elektronů přijatých kationtem Q elektrický náboj t doba elektrolýzy F Faradayova konstanta (F = ,6 C/mol) I elektrický proud

45 Chemická redukce Katalytická redukce fosfornanem Ni e - Ni NaH 2 PO 2 + H 2 O NaH 2 PO H e - NaH 2 PO 2 + H 2 O NaH 2 PO H Ni H Ni + 2 H + H 2 PO Ni H Ni 3 P + 5 H H 2 O Vrstvy niklu a Ni 3 P na měď, ocel, mosaz, hliník a některé jeho slitiny. Po aktivaci povrchu lze vylučovat nikl také na keramiku, sklo a plasty.

46 Bezproudové stříbření Redukce kationtu diamminstříbrného aldehydickou skupinou (cukry, např. glukosa) 2 [Ag(NH 3 ) 2 ]OH + R-COH 2 Ag + 3NH 3 + R-COONH 4 + H 2 O vzniká na skle a jiných materiálech