Herstellung und Charakterisierung nanostrukturierter funktionaler Materialien

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Herstellung und Charakterisierung nanostrukturierter funktionaler Materialien
Projektleitung Marion Wienecke , Prof. Dr. rer. nat. habil.
Kürzel
Projektbeginn 01. Januar 2001
Projektabschluss 31. Dezember 2001
Projektpartner
Projektbeteiligte Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik ,
Projektmittel 16000 €
Mittelgeber Hochschulinterne Förderung
Fakultät(en) Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Forschungsschwerpunkte(e) Neue Materialien
Hyperlink http://www.hs-wismar.de/ifod

Inhalt

Dünne Schichten mit Oberflächenstrukturen in Nanometer-Dimensionen (ein Millionstel Millimeter), komponiert aus Partikeln mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, stellen Werkstoffe dar mit völlig neuen mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Dies wird nicht nur durch die reine Größenreduzierung, sondern durch den dominanten Einfluss von Grenzflächeneffekten hervorgerufen. Vor dem Hintergrund der sich in Mecklenburg-Vorpommern entwickelnden Forschungslandschaft sehen wir Anwendungsmöglichkeiten für nanostukturierte Materialien vor allem auf dem Gebiet der


- chemischen Sensorik, für die eine durch Nanotechnologie mögliche um viele Größenordnungen vergrößerte katalytisch aktive Oberfläche von Bedeutung ist,

- Brennstoffzellen-Technologie, vor allem hinsichtlich der Speicherung von Wasserstoff,

- biologische Anwendungen von Kohlenstoffmodifkationen insbesondere Nanotubes,

- Entwicklung von Polymer-Nanotubes-Composites mit neuartigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften.


Für die jeweilige gewünschte Funktionalität ist die Kontrolle von Dimensionen und Reinheiten und deren Korrelation zu den erforderlichen Prozessparametern entscheidend und somit auch der Einsatz geeigneter Analyseverfahren. Das IfOD verfügt insbesondere über moderne Anlagen für die Dünnschicht- und Beschichtungstechnik und, für die Region von besonderer Bedeutung, mit dem TEM Philips CM 200 über die Möglichkeit zur Hochauflösenden Elektronenmikroskopie (HREM).


Anhand der folgenden Beispiele aus unseren Forschungsarbeiten sollen die Möglichkeiten, die wir präparativ und analytisch erreicht haben dargestellt werden.


1. YSZ- Dünnschichten

Y-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) wird in elektrochemischen Sensoren und Festkörper-Oxid-Brennstoffzellen (solid oxid fuel cells) als fester Elektrolyt eingesetzt. Die Ionenleitfähigkeit dieses Materials wird durch die Kristallinität des Materials beeinflusst. Angestrebt wird die kubische Struktur und eine nanokristalline Morphologie um hohe Diffusionsraten bei möglichst niedrigen Temperaturen zu erreichen.



2. PTFE Membranen

Um die Effizienz elektrochemischer Systeme zu erhöhen werden Elektroden mit großer spezifischer Oberfläche benötigt. Für Flüssigelektrolyt Sensoren zur amperometrischen Messung von Gasspezies in der Luft benötigt man so genannte Membran-Elektroden- Assemblies, die Gasdiffusion (durch Porosität) ermöglichen und mit Elektroden großer spezifischer Oberfläche versehen sind. Die spezifische Oberfläche kann entschieden vergrößert werden, wenn Oberflächenstrukturen mit großem Aspektverhältnissen und Abmessung auf der Nanometer Skale hergestellt werden.



3. Carbon nano-tubes (CNT) and nano-composite conducting polymers

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) gehören zu den neuen nanoskopischen Materialien. Wir benutzen diese zur Herstellung o. g. Elektrodenmaterialien aber auch zur Entwicklung neuer Materialien mit neuartigen Eigenschaften. Dazu gehören elektrisch leitende Polymere, Polymere, die mit CNT gefüllt sind. Aufgrund ihres Aspektverhältnisses (einige 10 nm Durchmesser zu vielen 100 m Länge) haben CNT eine spezifische Oberfläche von bis zu 3000 m2/g. Aufgrund dessen wird in mit CNT gefüllten Polymeren das Perkolationslevel, d. h. der Füllgrade, bei dem isotrope Leitfähigkeit einsetzt, stark herabgesetzt. Das führt dazu, dass diese Materialien auch isotrope mechanische Eigenschaften aufweisen und beispielsweise bei einem Füllgrad von nur 3,5 % bereits homogene Halbleiter sind. Unsere Arbeiten sind darauf gerichtet Materialien mit metallischer Leitfähigkeit herzustellen, die wir bei etwa 20 % erwarten.