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Teilprojekt B02

B02: Anorganische Schichtsysteme auf Basis nanoskopischer Metallfluoride

  • Prof. Dr. Erhard Kemnitz
  • Prof. Dr. Beate Paulus
  • Solvay Fluor Hannover

Überblick (.pdf)


Die Beschichtung von Festkörperoberflächen mittels Metalloxid-Solen ist in den letzten 10 Jahren zu einer ernsthaften Konkurrenz zu gängigen PVD-Verfahren geworden weil sie z.B ebenbürtige transparente Schichten für optische Systeme liefert aber deutlich einfacher und billiger ist. Voraussetzung dafür sind jedoch Sole, die über die für Metalloxide entwickelte Sol-Gel-Synthese zugänglich sind. Bisher sind Metallfluoridbeschichtungen nur mittels Gasphasenabscheidungstechniken möglich, die teuer, korrosiv und bezüglich der beschichteten Flächen limitiert sind. Seit ca. 15 Jahren wird deshalb intensiv an der Entwicklung „chemischer“ Beschichtungsverfahren – analog der Beschichtung mit Metalloxid-Solen – gearbeitet. Dazu sind vor allem durch japanische Gruppen zwei verschiedene Ansätze von „pseudo“-Sol-Gel-Verfahren für Metallfluoride entwickelt worden, deren Grundprinzipien darin bestehen, dass zum einen zunächst über das „klassische“ Sol-Gel-Verfahren Nano-Metalloxide hergestellt werden, die dann in einem nachgelagerten Reaktionsschritt mittels gasförmiger Fluorierungsmittel wie z.B HF fluoriert werden. Im alternativen Ansatz werden Sole/Gele von Metallfluoroacetaten hergestellt, die anschließend thermisch zersetzt werden. Auch hierbei führt der Reaktionskanal über die zwischenzeitliche Bildung der Oxide, die dann aber „in statu nascendi“ durch den ebenfalls gebildeten Fluorwasserstoff in die Fluoride überführt werden. Beiden Verfahren sind mehrere Nachteile gemeinsam: i) Zur Bildung der Fluoride sind höhere Temperaturen nötig (250 bis 400°C), ii) neben Fluoriden werden undefinierte Oxidfluoride gebildet und auch unumgesetztes Oxid ist zu berücksichtigen, iii) an beiden Systemen sind aggressive fluorhaltige Gase beteiligt, die ihre Anwendung stark eingrenzen, und iv) ist zu beobachten, dass der ursprüngliche Nano-Charakter der Vorläufermoleküle im Ergebnis der zuvor genannten Fakten verloren geht. Auf Basis einer durch uns entwickelten Sol-Gel-Synthese [1, 2] für Metallfluoride nach Gleichung (1):

sind in geeigneten Lösungsmitteln (Alkohole, Ether etc.) nunmehr ebenfalls nanoskopische Metallfluoride-Sole zugänglich, die bei entsprechender Wahl der Konzentrationsverhältnisse für Beschichtungen geeignet sind [3, 4]. Vorteilhaft dabei ist, dass die Sole völlig neutral, d.h. somit nicht korrosiv und schon bei Raumtemperatur verarbeitet werden können ohne dass noch eine thermische Nachbehandlung nötig ist. Die nach Gleichung 1 erhaltenen Metallfluorid-Sole lassen sich – wie Metalloxid-Sole – leicht verarbeiten und können für großflächige Beschichtungen eingesetzt werden. Neben anderen Anwendungen besteht vor allem in der Optik ein immenser Bedarf an derartigen Beschichtungen (antireflektierende Beschichtungen für die Ophthalmologie, niedrig brechende Schichten in der Laser- und Hochleistungsoptik, etc.). Es gibt keine Materialien, die für niedrig brechende Systeme besser geeignet sind als Metallfluoride. Mit dem Zugang zu geeigneten Metallfluorid-Solen nach der o.b. Synthese werden erstmals derartige Anwendungen zugänglich. Aber auch für katalytische (Mikroreaktoren) oder sorptive Anwendungen (Trennsäulen) wie auch für antikorrosive Beschichtungen (gegen fluorhaltige Gase wie HF, F2 etc.) können derartige Beschichtungen von großem Interesse sein. In diesem Projekt sollen die mechanistischen Grundlagen der Herstellung und Anwendung von Metallfluorid-Solen untersucht werden. Dabei geht es insbesondere um zwei Zielrichtungen:

i) Übertragen der fluorolytischen Sol-Gel-Synthese auf andere Metallfluoride als MgF2 bzw. AlF3. Im Fokus stehen ZnF2, TiF3, PbF2, ZrF4. Da wir aus unseren bisherigen Arbeiten wissen, dass mechanistisch die fluorolytische Sol-Gel-Synthese stark durch das Metall beeinflusst wird, sind mechanistische Untersuchungen für jedes einzelne System geplant.

ii) Nach Bestimmung der geeigneten Reaktionsparameter sollen dann Beschichtungen auf Modelloberflächen (Silicium, Glas, Korund, Aluminium und PMMA) ausgeführt und umfassend untersucht werden. Ziel dieser Arbeiten ist, die Möglichkeiten und Grenzen dieser Systeme zu ermitteln.

Dieses Projekt zielt somit auf die Entwicklung neuer Materialien für neuartige Anwendungen in sehr unterschiedlichen Bereichen. Die erwarteten Grundlagenerkenntnisse könnten die Basis für neue Forschungsrichtungen darstellen.


[1]         E. Kemnitz, U. Groß, S. Rüdiger, S. Chandra Shekar, Angew. Chem. 2003, 115, 4383-4386.

[2]         S. Rüdiger, U. Groß, E. Kemnitz, J. Fluorine Chem. 2007, 128, 353-368.

[3]         H. Krüger, E. Kemnitz, A. Hertwig, U. Beck, Physica Status Solidi 2008, 205, 821-824.

[4]         H. Krüger, E. Kemnitz, A. Hertwig, U. Beck, Thin Solid Films 2008, 516, 4175-4177.

 

Humboldt Universität zu Berlin
DFG