< Terug naar vorige pagina

Project

Opschaling van clusterbundelflux van magnetronsputterende bronnen - Op weg naar industriële toepassingen

In de afgelopen decennia hebben multi-atomaire systemen en clusters van atomen steeds meer belangstelling gekregen van onderzoekers, vanwege hun unieke eigenschappen die sterk afhankelijk zijn van hun grootte in de overgang van enkele atomen naar de bulk vaste stoffen. Deze nanodeeltjes of clusters hebben uiteenlopende toepassingen, bijvoorbeeld in katalyse of gevoelige detectie vanwege hun hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en in optische en elektronische apparaten vanwege het elektronenopsluitingseffect. Hoewel heel wat laboratoria opwindende resultaten hebben behaald gericht op  toepassingen van clusters, zijn nieuwe technologieën en benaderingen voor de clusterproductie nodig om deze laboratoriumresultaten dichter bij industriële exploitatie te brengen.

Grosso modo onderscheiden we twee categorieën van methoden voor de synthese van clusters: chemische methoden en fysische methoden. In de praktijk wordt de eerste op grotere schaal gebruikt, omdat ze doorgaans worden gekenmerkt door hogere clusterproductiesnelheden, waardoor ze commercieel levensvatbaarder zijn. Solventen die bij chemische methoden worden gebruikt, maken het productieproces echter minder zuiver. Bovendien kunnen de liganden die worden gebruikt om aggregatie te voorkomen, de actieve plaatsen op het clusteroppervlak blokkeren. Anderzijds zijn fysieke methoden gebaseerd op zuivere preparatieprocessen in vacuüm en zijn er geen liganden nodig om clusters van elkaar gescheiden te houden. Bovendien is de spreiding in grootte van clusters geproduceerd op deze manier veel kleiner. Onder de fysieke methoden heeft clustergroei vanuit de gasfase met behulp van een magnetronsputterbron verschillende voordelen, zoals gemakkelijke afstembaarheid van clusterstoichiometrie, grootte en flux door de belangrijkste parameters te wijzigen, waaronder de gasdruk en temperatuur, het vermogen gebruikt voor de magnetron of de aggregatielengte. Hoewel magnetronclusterbronnen een hoge clusterdoorvoer hebben in vergelijking met de andere bronnen, ligt de typische clusterdepositiesnelheid nog steeds ver onder de vereisten voor industriële productie van op clusters gebaseerde apparaten of katalysatoren. De opschaling van de clusterdoorvoer in magnetron sputterclusterbronnen zou deze technologie helpen om aan de industriële vraag te voldoen en om commercieel verkrijgbare clustergebaseerde materialen te produceren.

In dit proefschrift wordt de gasdynamica binnen de gasaggregatiezone bestudeerd om de clusterflux geproduceerd in een magnetron sputterclusterbron te vergroten. Met name de gasinlaat en de vorm van de kamer zijn aangepast en geoptimaliseerd teneinde een hogere clusterdoorvoer te bereiken. Het is gebleken dat wanneer de gasinlaat dicht bij het doel wordt geplaatst, de gasweerstandskracht niet alleen de hoeveelheid gesputterde atomen die zich terug op het trefschijfoppervlak neerslaan zou verminderen, maar ook zou helpen hun dichtheid in de gasfase te verhogen, wat de vorming van clusterkiemen zou versnellen. Bovendien hebben de resultaten aangetoond dat een conische vorm en een kleinere dwarsdoorsnede van de kamer de weerstandskracht die clusters ondervinden van het draaggas zou vergroten, vooral dicht bij de kamerwanden, waardoor de kans op neerzetten van de clusters op de wanden zou afnemen en dus de clusterflux zou toenemen.

Vervolgens worden twee voorbeelden van toepassingen gegeven waarbij een hoge-flux magnetron sputterclusterbron wordt gebruikt: antimicrobiële coatings van amorfe koolstof gedoteerd met Ag-clusters voor toepassing in de ruimtevaart en Pd/Ni bimetallische clusters op aluminiumoxidepoeder als katalysator voor de oxidatie van koolstofmonoxide (CO). In het eerste voorbeeld wordt de combinatie van de clusterbron met standaard magnetronsputteren gebruikt om amorfe koolstof (a-C) nanocomposietcoatings te bereiden met ingebedde zilveren (Ag) nanodeeltjes. De veroudering en antimicrobiële eigenschappen worden bestudeerd. Vanwege de diffusie van Ag in de a-C-film, migreert het langzaam naar het coatingoppervlak, waar het uiteindelijk agglomereert om snorharen te vormen. Als de Ag-mobiliteit te hoog is, kan de coating te snel afbreken, niet alleen de levensduur verkorten, maar ook de Ag-uitloging verhogen tot het niveau waarop toxiciteit een probleem kan worden. Gebleken is dat het met de combinatie van de clusterbron en standaard magnetrontechnologie mogelijk is om niet alleen de Ag-diffusie naar het oppervlak te beperken, maar ook de antimicrobiële prestaties van de coatings te verhogen, ondanks het verlagen van de totale hoeveelheid Ag-gehalte.

In het tweede toepassingsvoorbeeld zijn palladium-nikkel (Pd-Ni) bimetaalclusters direct op aluminiumoxidepoeder afgezet. Clusters zijn gemaakt met behulp van de combinatie van een holle kathode met een hol cilindrisch Ni-trefschijf en een magnetron voorzien van een plat cirkelvormig Pd-trefschijf. Monsters zijn gekarakteriseerd met STEM, EDX en ICP om de clustersamenstelling en structuur te bepalen. De katalytische prestatie van CO-oxidatie is geëvalueerd met behulp van een plugstroomreactor en vervolgens vergeleken met analoge monsters bereid met monometallische Pd-clusters. De resultaten tonen aan dat de temperatuur voor 100%  CO-conversie met 50 °C daalt en dat de omzetfrequentie  vijf keer toeneemt.

Datum:7 nov 2016 →  28 nov 2022
Trefwoorden:Alloy Clusters, Cluster-beam System, Nanoparticles
Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica
Project type:PhD project