En ny metode til konform aflejring af manganoxid på substrater med højt aspektforhold

Manganoxider har mange anvendelser i batterier, superkondensatorer, mikroelektronik og (elektro) katalyse - som alle kan have stor gavn af konformt deponeret MnO ₂ på strukturer med højt formatforhold, f.eks. 3-D batteristrømopsamlere, eller katalytiske bærere med et højt overfladeareal.

For nylig udgivet i ACS Kemi af materialer , forskere fra imec, KU Leuven og Ghent University udviklede en billig og hurtig metode til deponering af konforme tynde film af MnO ₂ på nanostrukturerede underlag med tæt på et-monolag præcision, konkurrerer med den state-of-the-art atomlagdeponering (ALD).

Den nye metode blev inspireret af første klasse high-school demonstration af en redoxreaktion, hvor vandigt kaliumpermanganat (KMnO ₄ ) reduceres med en alkohol (f.eks. ethanol) ved en neutral pH, danner fast MnO ₂ i hovedparten af ​​løsningen. I den nye metode, mængden af ​​as-dannet MnO ₂ var begrænset til et enkeltlag ved at bruge vandig propargylalkohol - en umættet alkohol, der stærkt kan kemisorbere på forskellige substrater, muliggør reduktion af dens mængde til et enkeltlag for den efterfølgende reaktion med KMnO ₄ . Dermed, metoden består af gentagne cyklusser med overfladebegrænset adsorption af propargylalkohol og dens efterfølgende oxidation med vandigt kaliumpermanganat, dannelse af en kontrollerbar mængde MnO ₂ på substratet i hver cyklus.

Fordi mængden af ​​manganoxid, der dannes i hver cyklus, er begrænset af den enkeltlagsmængde af den adsorberede alkohol, væksten udviser de selvbegrænsende egenskaber ved atomlagsaflejring (ALD). Denne state-of-the-art teknik er baseret på en cyklisk reaktion af gasformige forstadier på en overflade, og sikrer typisk den højeste overensstemmelse mellem belægningen og tykkelsesregulering af submonolag, på bekostning af en meget lav aflejringshastighed, behov for forhøjede temperaturer, dyre forstadier og komplekse, termisk isolerede gastætte reaktorer.

I modsætning til den typiske ALD, den nye redoxlagsaflejring (RLD) udføres i luft, ved stuetemperatur, ved hjælp af almindelige og billige kemikalier og simpelt glas - bogstaveligt talt to bæger. Dette reducerer omkostningerne og kompleksiteten af ​​aflejringen i høj grad, gør den tilgængelig for stort set ethvert laboratorium eller produktionsanlæg. Metoden viser også mindst 4x højere vækst pr. Cyklus og er mindst 1,5x hurtigere end den kendte ALD-proces af MnO ₂ takket være den høje adsorptionsdensitet af alkoholmolekylerne og MnO ₄ ^- ioner på substraterne. RLD-metoden blev også med succes brugt til at belægge komplekse 3-D-sammenkoblede Ni-nanotråde med tynd MnO ₂ , som ikke kunne udføres med den typiske termiske ALD.

Dette arbejde er den første demonstration af en ALD-lignende vækst af et metaloxid udført udelukkende i vandig fase og i fri luft. Dette er en vigtig differentiator fra de få tidligere rapporterede flydende fase ALD-processer for nogle metaloxider (f.eks. MnO _x , TiO ₂ eller MgO), som alle udnyttede vandfølsomme forstadier opløst i organiske opløsningsmidler og, dermed, krævede vandfri betingelser og neutralt gasmiljø i en handskerum eller en Schlenk -linje. Selvom det i øjeblikket er begrænset til substrater fremstillet af overgangsmetaller (f.eks. Ni, Ti, Pt) og deres oxider (f.eks. TiO ₂ ), rækkevidden af ​​kompatible substrater kan i fremtiden blive øget til f.eks. Al ₂ O ₃ eller SiO ₂ , ved at vælge passende organiske adsorbater. Også, RLD -metoden kunne testes for deponering af andre oxider end MnO ₂ , ved at bruge forskellige metalkomplekser, der danner uopløselige produkter under redoxreaktionen.

Samlet set, takket være sin enkelhed, den konforme aflejring af MnO ₂ kan let opskaleres og dermed udnyttes til sine mange (elektro) kemiske anvendelser.