SEM-bild av Ni nanomesh (vänster); EDX-STEM-bild av ett fragment av Ni nanomesh belagt med 3 nm MnO2 (höger). Färgmappningen motsvarar Ni (gul) och Mn (cyan). Kredit:S. Zankowski, O. Richard
Manganoxider har många användningsområden i batterier, superkondensatorer, mikroelektronik och (elektro)katalys – som alla kan dra stor nytta av konformt deponerat MnO 2 på strukturer med högt bildförhållande, t.ex. 3-D batteriströmavtagare, eller katalytiska stöd med stor yta.
Nyligen publicerad i ACS Materialkemi , forskare från imec, KU Leuven och Ghent University utvecklade en billig och snabb metod för att deponera konforma tunna filmer av MnO 2 på nanostrukturerade substrat med precision nära ett monolager, konkurrerar med den senaste atomlagerdepositionen (ALD).
Den nya metoden var inspirerad av gymnasiets demonstration av en redoxreaktion i första klass, där vattenhaltigt kaliumpermanganat (KMnO 4 ) reduceras med en alkohol (t.ex. etanol) vid ett neutralt pH, bildar fast MnO 2 i huvuddelen av lösningen. I den nya metoden, mängden MnO som bildas 2 var begränsad till ett monolager genom att använda vattenhaltig propargylalkohol - en omättad alkohol som kan kraftigt kemisorbera på olika substrat, möjliggör reduktion av dess mängd till ett monoskikt för den efterföljande reaktionen med KMnO 4 . Således, Metoden består av upprepade cykler av ytbegränsad adsorption av propargylalkohol och dess efterföljande oxidation med vattenhaltigt kaliumpermanganat, bildar en kontrollerbar mängd MnO 2 på substratet i varje cykel.
RLD-cykel:monolageradsorption av propargylalkohol på en yta (vänster), reduktion av MnO4- av den adsorberade propargylalkoholen och bildning av tunn MnO2 (höger). Processen kräver endast två bägare och en rinnande vattenkälla för diskningen mellan delcyklerna. Kredit:S. Zankowski, B. Kruszka
Eftersom mängden manganoxid som bildas i varje cykel begränsas av monolagermängden av den adsorberade alkoholen, tillväxten uppvisar de självbegränsande egenskaperna hos atomlagerdeposition (ALD). Denna toppmoderna teknik är baserad på en cyklisk reaktion av gasformiga prekursorer på en yta, och säkerställer vanligtvis den högsta överensstämmelsen hos beläggningen och tjocklekskontrollen för sub-monolager, på bekostnad av en mycket låg deponeringshastighet, behov av förhöjda temperaturer, dyra prekursorer och komplexa, termiskt isolerade gastäta reaktorer.
I motsats till den typiska ALD, den nya redoxlagerdepositionen (RLD) utförs i luft, vid rumstemperatur, använder vanliga och billiga kemikalier och enkla glasvaror – bokstavligen, två bägare. Detta minskar avsevärt kostnaderna och komplexiteten för deponeringen, gör den tillgänglig för praktiskt taget alla laboratorier eller tillverkningsanläggningar. Metoden visar också minst 4 gånger högre tillväxt per cykel och är minst 1,5 gånger snabbare än den kända ALD-processen för MnO 2 tack vare den höga adsorptionsdensiteten hos alkoholmolekylerna och MnO 4 - joner på substraten. RLD-metoden användes också framgångsrikt för att belägga komplexa 3-D-sammankopplade Ni-nanotrådar med tunn MnO 2 , som inte kunde utföras med den typiska termiska ALD.
Detta arbete är den första demonstrationen av en ALD-liknande tillväxt av en metalloxid utförd helt i vattenfas och utomhus. Detta är en viktig skillnad från de få tidigare rapporterade ALD-processerna i vätskefas för vissa metalloxider (t.ex. MnO) x , TiO 2 eller MgO), som alla använde vattenkänsliga prekursorer lösta i organiska lösningsmedel och, Således, erforderliga vattenfria förhållanden och neutral gasmiljö i ett handskfack eller en Schlenk-ledning. Även om det för närvarande är begränsat till substrat gjorda av övergångsmetaller (t.ex. Ni, Ti, Pt) och deras oxider (t.ex. TiO 2 ), utbudet av kompatibla substrat kan komma att utökas i framtiden till t.ex. Al 2 O 3 eller SiO 2 , genom att välja lämpliga organiska adsorbater. Också, RLD-metoden skulle kunna testas för avsättning av andra oxider än MnO 2 , genom att använda olika metallkomplex som bildar olösliga produkter under redoxreaktion.
Övergripande, tack vare sin enkelhet, den konforma avsättningen av MnO 2 kan lätt uppskalas och därmed utnyttjas för sina många (elektro)kemiska tillämpningar.
