02.07.2020 - Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Neue Chemie für ultradünne Gassensoren

Neuer Prozess für Zinkoxidschichten entwickelt, die in Stickoxidsensoren und als Schutzschichten auf Plastik verwendet werden können

Die Anwendung von Zinkoxidschichten in der Industrie ist vielfältig und erstreckt sich vom Schutz verderblicher Waren vor Luft bis zur Detektion von giftigen Stickoxiden. Solche Schichten können mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic layer deposition, kurz ALD) hergestellt werden, die normalerweise Vorläuferchemikalien, sogenannte Präkursoren, einsetzt, die sich an der Luft sofort entzünden. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat jetzt einen neuen Herstellungsprozess etabliert, der auf nicht selbstentzündlichen Präkursoren basiert und bei so niedrigen Temperaturen abläuft, dass auch Kunststoffe beschichtet werden können.

Ultradünne Schichten aufbringen

Um einen Sensor für Stickstoffdioxid (NO2) herzustellen, muss eine dünne Schicht nanostrukturiertes Zinkoxid (ZnO) auf ein Sensorsubstrat aufgebracht und anschließend in ein elektrisches Bauteil eingebunden werden. Das Team von Prof. Dr. Anjana Devi nutzte ALD, um ultradünne ZnO-Schichten auf solche Sensorsubstrate aufzubringen.

Generell werden in der Industrie ALD-Prozesse eingesetzt, um mittels ultradünner Schichten, die teilweise nur wenige Atomlagen dick sind, elektrische Bauteile zu miniaturisieren und gleichzeitig die Effektivität zu erhöhen. Dafür sind Präkursoren notwendig, die im ALD-Prozess auf einer Oberfläche reagieren und so eine dünne Schicht bilden. „Die Chemie hinter ALD-Prozessen ist also essenziell und hat großen Einfluss auf die resultierenden Schichten“, unterstreicht Anjana Devi.

Sichere Handhabung und höchste Qualität

In der Industrie werden ZnO-Schichten bisher mit einem extrem reaktiven Zinkpräkursor hergestellt, der sich an Luft sofort entzündet, Experten nennen das pyrophor. „Der Schlüssel für die Entwicklung eines sicheren ALD-Prozesses war die Erforschung eines neuen, nicht pyrophoren Präkursors, der sicher gehandhabt werden kann und in der Lage ist ZnO-Schichten in der höchsten Qualität herzustellen“, so Lukas Mai, Erstautor der Studie. „Die Herausforderung war es, eine alternative Chemie zu finden, die in der Lage ist, pyrophore, industriell verwendete Verbindungen zu ersetzen.“

Das Besondere am neuen Prozess ist, dass dieser sogar bei geringen Temperaturen möglich ist, was das Beschichten von Kunststoffen ermöglicht. Somit ist der neue Prozess nicht nur für die Herstellung von Gassensoren geeignet, sondern auch für Gasbarriereschichten. Sie werden in der Industrie auf Plastik aufgebracht und dafür genutzt, empfindliche Waren wie Lebensmittel und Medikamente vor Luft zu schützen.

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    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr

    Mathies V. Evers

    Mathies Evers, Jahrgang 1989, studierte Chemie an der Ruhr-Universität Bochum, wo er an der Synthese atompräziser molekularer Cluster forschte. Nach seinem Masterabschluss begann er seine Doktorarbeit am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik und wird durch den ... mehr

    Prof. Dr. Kristina Tschulik

    Kristina Tschulik promovierte im Jahr 2012 an der TU Dresden und arbeitete als Postdoktorandin am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden sowie an der Universität Oxford. Danach baute sie gefördert durch ein NRW-Rückkehrprogramm die Arbeitsgruppe für „Elektrochemie u ... mehr