Technologie sol-gel a vybrané aplikace

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Technologie sol-gel a vybrané aplikace"

Emilie Pešková
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Technologie sol-gel a vybrané aplikace IÚstav fotoniky a elektroniky AVČR, v.v.i., Chaberská 57, Praha 8 Jan Mrazek, Ivan Kasik, Ondrej Podrazky, Vlastimil Matejec

2 Obsah Úvod Princip metody sol-gel Příprava objemových vzorků vrstev Vybrané aplikace magneto-opticky aktivníčástice fotokatalytické materiály

3 Rozdělení materiálů Pevné látky objemové vzorky, monolity, bulky vrstvy amorfní krystalické skla amorfní materiály polykrystalické monokrystalické

4 Rozdělení materiálů neporézní, kompaktní Porézní Velikost pórů Mikroporézní Mesoporézní Makroporézní < 10 nm 10~100 nm > 100 nm

5 Koloidní systémy Koloidníčástice dispergované v koloidním prostředí kapalina kapalina emulze kapalina plyn aerosol pevnéčástice dispergované: vodě organickém prostředí hydrosol organosol soly

6 Příprava solů Dispergace mletí, rozpouštění rubínové sklo Elektrostatická Kondenzace reverzibilní ireverzibilní chemická reakce Stabilizace Sférická latexy ph surfaktant povrchově aktivní látka

ireverzibilní chemická reakce Stabilizace Sférická

7 Přechod sol-gel destabilizace ph koncentrace rozpouštědlo dispergované částice Gel prostorová síť zachycující molekuly rozpouštědla reverzibilní, ireverzibilní, hydrogely

8 Tepelné zpracování gelů xerogely tepelné zpracování za normálního tlaku konvenční tepelné procesy prášky, vrstvy, 20% porozity aerogely tepelně zpracování za nadkritických podmínek rozpouštědla autokláv, 200 atm. objemové materiály > 98% porozity hustota 0,01 g/cm 3 C. J. Brinker, C. S. Ashley, Sandia National Labs

zpracování za nadkritických podmínek rozpouštědla autokláv, 200 atm.

9 Metoda sol-gel Metoda, která využívá přechod sol-gel k přípravě materiálů Přesah do koloidní chemie potravinářství, barvení skla latex, želatina, škrob, bílkoviny, slinování UO léta 20. století tetraethoxysilan, tetraethylorthosilikát (TEOS)

barvení skla latex, želatina, škrob, bílkoviny, slinování UO

10 Reakce TEOS nepolární bezbarvá kapalina mísitelná s alkoholy Reakce s vodou Hydrolýza H H H H Kondenzace H H H H SiO 2

11 Reakce TEOS Kyselé ph Zásadité ph Hydrolýza vznik porézních sítí Kondenzace vznik kompaktního materiálu JOAM Vol. 8, No. 2, April 2006, p J. Phys. Chem. B, Vol. 107, No. 20, 2003

12 Výhody Mísitelnost na molekulární úrovni optická kvalita příprava reaktivních látek Bottom-up syntézy Yang and Swisher, 1996

13 Příprava materiálů Nové kompozitní polymerní materiály ORMOSIL organically modified silicates (Si) ORMOCER organically modified ceramic (Fe, Al) ochranné povlaky, nátěry Sklo, keramika, amorfní materiály Amorfní a polykrystalické materiály výchozí materiály pro růst monokrystalů Monolity, vrstvy

(Fe, Al) ochranné povlaky, nátěry Sklo, keramika, amorfní materiály

14 Modifikované sloučeniny R substitute ethoxyskupiny za R: -methyl, ethyl...oktyl -propyl-nh 2 -propyl-cl -glycidoxypropyl vazba Si-C nepodléhá hydrolýze funkční skupina zůstává zachována v gelu (chemická kotva) charakter povrchově aktivní látky

15 Modifikované sloučeniny příprava core-shell struktur jádro SiO 2 funkciolizovaný povrch vinyltrimethoxysilan phenyltrimethoxysilan Journal of Sol-Gel Science and Technology 31, , 2004

16 Tepelné zpracování gelů DSC (µv mg -1 ) exothermic up endothermic down 90 C 238 C Zn:Ti=2:1 Zn:Ti=1:1 Zn:Ti=2: C 332 C Temperature ( C) 359 C 90 C volná organika, vlhkost 240 C estery 360 C organické ligandy 450 C dehydratace OH skupin Zn:Ti=2:3, 650 C

0 100 200 300 400 500 297 C 332 C Temperature ( C) 359 C 90 C volná

17 Příprava monolitů zpracování xerogelů, sušení gelů Alternativa Konvenční keramické postupy Práškové slinování Depozice z plynné fáze (CVD, OVD) Omezení Objemové kontrakce (až 80%) Odpaření rozpouštědla kapilární tlak v pórech Chem. Mater., Vol. 15, No. 2, 2003

fáze (CVD, OVD) Omezení Objemové kontrakce (až 80%) Odpaření

18 Příprava monolitů Využití Polykrystalické substráty Porézní keramika Tepelně-odolná keramika Optické materiály Chromatografické kolony Bell laboratories,

19 Příprava vrstev Dva stupně: Depozice solu na substrát Tepelné zpracování vrstvy Výhody: a Nízké teploty zpracování Kontrolovaná vnitřní struktura Vysoká přesnost a kvalita povrchu ` Kombinace vrstevnatých struktur

zpracování Kontrolovaná vnitřní struktura Vysoká

20 Konvenční depozice vrstev Polévání, natírání Sprejování elektrostatické nanášení ochranné povlaky Vakuové napařování Pulsní laserová depozice Molekulární epitaxe vakuové metody optika, elektronika < 1 mm < 100 µm 1 nm - 1 µm

napařování Pulsní laserová depozice Molekulární epitaxe

21 Depozice vrstev Dip-coating Tloušťka: rychlostí tažení viskozitou solu Langmuir-Blodget vrstvy 5nm - 5 µm Spin-coating rychlostí rotace viskozitou solu

22 Tepelné zpracování vrstev Konvenční pec Rapid Thermal Annealing radiační přenos vrstva substrát Rychlý ohřev prudký odpar, větší porozita,

23 Tepelné zpracování vrstev Denzifikace vrstvy Řízení tloušťky Řízení porozity Profilometr Interferometr Optický elipsometr α (10 3 cm -1 ) Zn-Ti-O Zn 2 TiO Temperature (deg C): Wavelength (nm)

24 Jednoduché metody modifikace porozity Rychlost tvrzení řízená mikroporozita (< 10 nm) Plniva (vosk, PEG, inertní micely) řízená mezoporozita (10-50 nm) Nevýhody: náhodná distribuce velikosti pórů náhodná struktura Použití membrány anorganické nosiče, adsorbéry

25 Pokročilé metody modifikace porozity Plniva makročástice (PS, PMMA) 2-fotonová UV-polymerace (makročástice, polymery 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane) řízená makroporozita (>100 nm) zdroj zdroj J Mater Sci (2011) 46: ACS Nano, 2008, 2 (11), pp

26 Pokročilé metody modifikace porozity Výhody: přesná distribuce velikosti pórů orientovaná struktura Použití optické komponenty fotonické krystaly materiály s negativní refrakcí J Mater Sci (2011) 46: ACS Nano, 2008, 2 (11), pp

27 Pokročilé metody modifikace porozity Plniva Nanočástice (PS, latex, organicky modifikovaný SiO 2 ) Sférické micely řízená mezoporozita (< 50 nm) řízená makroporozita (> 50 nm) Langmuir, Vol. 20, No. 19, 2004

28 Pokročilé metody modifikace porozity Tepelné zpracování O 2 N 2 Spálení organických látek Karbonizace organických látek Anorganická síť SiO 2, TiO2 Uhlíková siť Langmuir, Vol. 20, No. 19, 2004

29 Pokročilé metody modifikace porozity Výhody: přesná distribuce velikosti pórů orientovaná struktura Použití anorganické nosiče baterie, kondenzátory Langmuir, Vol. 20, No. 19, 2004

30 Membrány Membrány Komplexy Ru citlivé na O 2 s definovanou porozitou polaritou Imobilizovaný převodník Využití Separační metody Senzory (optické, elektrické) Relative output power 1,95 1,80 1,65 1,50 1,35 1,20 1,05 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 MSF - TEOS layer t INT =300ms Average: 10 Fibre length: 8 cm Wavelength [nm] 1 Nitrogen 2 Oxygen 3 Nitrogen 4 Oxygen 5 Nitrogen 6 Nitrogen

31 Membrány Biogenní membrány stříbro redukované v porézních vrstvách vrstva funkcionalizována NH 2 propyltmos 2,0 1,0 3,0 Absorbance ZnTiO 3 -Ag Zbarvení souvisí s velikosti pórů λ, nm G. Krylova, L. Spanhel 2007

32 Lokalizované plasmony hν Kolektivní rezonance elektronů Lokalizovaný Plasmon materiál velikost částic vlnová délka záření index lomu okolního prostředí Ag 430 nm Au 540 nm Cu 670 nm Pt, Pd Au, stabilizátor chitosan

33 Lokalizované plasmony Posun plasmonu s chemickým okolím částice Opto-chemické senzory, fotokatalytické materiály Analytica Chimica Acta 706 (2011) 8 24

34 Lokalizované plasmony Podmínky syntézy Surfaktanty polyvinylpyrolidon

35 Kvantové tečky LUMO E c E E E g HOMO E V atomic orbital A N =1 molecular orbital A N =2 cluster (nanoparticle) A N =10 semiconductor A N >20000 Polovodičové materiály (CdS, ZnSe) šířka zakázaného pásu závisí na velikosti částic

36 Magnetické nanočástice Nanočástice Paramagnetické materiály CoFe 2 O 4 CoFe 2 O 4 Antigen Magnetická terapie J Nanopart Res (2011) 13:

37 hν Fotoaktivní materiály vodivostní pás - α (10 3 cm -1 ) r-tio 2 : E g =3.04 ev ZnTiO 3 : E g = 3.61eV undoped sample 1% Eu + valenční pás separace elektronu-díry interakce s látkou (H 2 O) fotodegradace (kys. stearová) Transmittance Wavelength (nm) Zn:Ti=1:1, 5%NH 2, Heat-treated at 600 C 1,1 0,9 0,8 0,8 Time (min): , Wavenumber / cm -1

38 Fotoaktivní materiály - Ru barvivo elektrolyt ZnO nanotyčinky substrát (ITO, FTO) +

39 Závěr Seznámení se základy metody sol-gel Příprava monolitů a vrstev Ukázka vybraných aplikací Děkuji Vám za pozornost

40 Závěr

Podobné dokumenty

Katedra chemie FP TUL Chemické metody přípravy vrstev

Katedra chemie FP TUL Chemické metody přípravy vrstev Chemické metody přípravy vrstev Metoda sol-gel Historie nejstarší příprava silikagelu 1939 patent na výrobu antireflexních vrstev na fotografické čočky 60. léta studium vrstev SiO 2 a TiO 2 70. léta výroba