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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-74921
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7492/


Kontrollierte elektrochemische Abscheidung der Nanokatalysatoren für die Synthese von 1D-Nanostrukturen auf ITO-Oberflächen

Controlled electrodeposition of nanocatalysts for the synthesis of 1D nanostructures on ITO surfaces

Reim, Natalia

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SWD-Schlagwörter: Nanostruktur , Katalysator , Elektrochemie , Keimbildung , Bismut , Nanodraht
Freie Schlagwörter (Deutsch): Potentiostat , Cyclovoltammetrie
Basisklassifikation: 58.20
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Mews, Alf (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.03.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 28.09.2015
Kurzfassung auf Deutsch: In einer Zeit des Klimawandels und der Suche nach Alternative für die Nuklearenergie gewinnen Wege zur regenerativen Energiegewinnung immer mehr an Bedeutung. Neben der Wind- und Wasserenergie spielt die Photovoltaik eine wichtige Rolle im Energiemix der Zukunft. Von besonderem Interesse hierbei ist die Entwicklung von Halbleiternanodrähten, welche die Fähigkeit besitzen, Ladung effektiv zu trennen und sie direkt an die entsprechende Elektrode abzuleiten. Gelingt es die Nanodrähte in einer periodisch räumlich einheitlichen Struktur anzuordnen, kann eine erhebliche Erhöhung des Wirkungsgrades erwartet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die horizontal und vertikal orientierten Cadmiumselenid (CdSe) oder Indiumphosphid (InP) Halbleiternanodrähte direkt auf den transparenten, leitfähigen Indiumzinnoxid (engl. indium tin oxide, ITO)-Substraten mittels einer katalysierten Solution-Liquid-Solid-(SLS)-Methode (deut. Gelöst-Flüssig-Fest) gewachsen. Die SLS-Methode ermöglicht die Synthese von hochkristallinen Nanodrähten mit Hilfe von monodispersiven Nanopartikeln niedrig-schmelzender Metalle als Katalysator-Keime, wobei die Katalysatorgröße den Durchmesser der Nanodrähte festlegt. Als Katalysator wurde Bismut in Form von Nanopartikeln verwendet und elektrochemisch aus BiCl 3 Lösung direkt auf dem ITO-Träger erzeugt. Die elektrochemische Abscheidung ist eine relativ einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von Metallnanopartikeln direkt auf den leitfähigen Oberflächen. Zur horizontalen Orientierung der Nanodrähte wurde die potentiostatische Doppelpulsmethode, die sich aus einem Nukleations- und Wachstumspuls zusammensetzt, für die Bismutabscheidung gewählt. Sie ist eine besondere Methode der elektrochemischen Pulstechnik, die eine gute Kontrolle über die Größe und die Dichte der Katalysatorpartikel bietet, und ermöglicht damit, Nanodrähte mit gefordertem Durchmesser und räumlicher Verteilung direkt auf dem Substrat zu synthetisieren. In dieser Arbeit wurde es erfolgreich gezeigt, dass die Dichte von den einzelnen CdSe Nanodrähten auf mehreren Quadratmikrometer bis zu sehr dichten CdSe Nanodrahtnetzwerken eingestellt werden konnte. Der Durchmesser konnte zudem zwischen dicken Nanodrähten oberhalb 100 nm bis zu sehr dünnen Nanodrähten um 7 nm kontrolliert werden. Eine Besonderheit der dünnen Nanodrähte ist, dass sie eine durchmesserabhängige Photolumineszenz als Ergebnis des Quanten-Confinement-Effekts in der radialen Dimension aufweisen. Zum vertikal orientierten Wachstum der Nanodrähte wurde ein poröses AAO-Templat (AAO = anodisiertes Aluminiumoxid) direkt auf dem ITO-Substrat hergestellt und die Katalysatorpartikel direkt in die Poren elektrochemisch abgeschieden. Neben der CdSe- und InP-Nanodrähten wurden Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNTs) mittels CVD-Methode (engl. chemical vapor deposition) ebenfalls direkt auf dem ITO-Träger durch die AAO-Poren für eine spezielle Anwendung als Bausteine in der polymer-basierten Solarzelle gewachsen. Die elektrochemische Abscheidung von Bismut für die CdSe- und InP- Nanodrahtsynthese erfolgte potentiostatisch gepulst, während die
Eisenabscheidung für CNT-Wachstum galvanostatisch gepulst ausgeführt wurde.
Kurzfassung auf Englisch: In a time of climate change and search for an alternative to nuclear energy, renewable energy has attained increasing attention. In addition to the wind and hydroelectric power, photovoltaics play an important role in the energy source of the future. Solar cells based on arrays of vertically arranged nanowires made from compound inorganic semiconductors, such as indium phosphide (InP), can boost solar cell efficiency. In the present work, horizontally and vertically oriented semiconductor nanowires (NWs) composed of cadmium selenide (CdSe) or InP have been directly grown on transparent conductive indium tin oxide (ITO) substrates via the solution-liquid-solid (SLS) approach. Such SLS-approach enables synthesis of highly crystalline NWs using monodisperse nanoparticles of low-melting metals as catalyst (in this case bismuth (Bi)). Bi NPs were directly fabricated on ITO surfaces from BiCl 3 solution using electrochemical techniques. Electrodeposition is a relatively simple and inexpensive method for the preparation of metal nanoparticles directly on the conductive surfaces. For the horizontal NW orientation, a potentiostatic double pulse technique was applied for the Bi deposition. This approach provides control of size and density of electrodeposited Bi NP by using nucleation and growth pulses. Since the NW diameter is governed by the dimension of the Bi catalyst, the double pulse deposition is a reliable method to synthesize nanowires directly on substrates with a desired size and density. In the present work, it was successfully shown, that the density can be adjusted from individual NWs on several µm 2 to very dense NW networks. The diameter can be controlled between thick nanowires above 100 nm to very thin NW of 7 nm in diameter, which is well below the respective exciton dimension. Especially, the thinnest NWs exhibit diameter-dependent photoluminescence energies as a result of quantum confinement effects in the radial dimension. For the vertical NW orientation, a porous AAO-template (AAO = anodic aluminium oxide) was directly produced on ITO subtrate and catalysts were directly electrodeposited into these AAO pores. In addition to CdSe and InP nanowires, carbon nanotubes (CNTs) were also directly grown on ITO substrate through the AAO pores using CVD method (chemical vapor deposition) as building blocks in the polymer-based solar cell. Electrodeposition of Bi NPs for CdSe and InP NW synthesis was performed potentiostatically pulsed, while iron nanocatalysts for CNT growth were electrodeposited using galvanistatic pulse technique. The quality of the AAO templates was significantly depending on the previous mild anodic aluminum oxidation and the complete removal of the AAO barrier layer. Consequently, the catalyst deposition behaved proportionally to the quality of the template pores. A further challenge was the optimization of the synthesis parameters of 1D nanostructures to grow preferably short, vertically oriented nanowires or CNTs with identical thickness and length protruding from the AAO pores.

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