Nanopartikel
Nanopartikel
apl. Prof. Dr. Hartmut Wiggers
Die Arbeitsgruppe „Nanopartikel“ unter der Leitung von apl. Prof. Dr. Hartmut Wiggers untersucht die Gasphasensynthese, Charakterisierung und Verarbeitung von Nanopartikeln aus zahlreichen Materialklassen. Es wird sowohl die Synthese oxidischer Materialien – vorzugsweise in Flammenreaktoren – als auch die Synthese keramischer oder metallischer Nanopartikel in Heißwand- und Plasmareaktoren erforscht. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung der beginnenden Partikelbildungsprozesse, ihre Kinetik und der Einfluss des Reaktionsmediums auf die chemische Zusammensetzung und Partikelmorphologie.
Molekularstrahlprobennahme gekoppelt mit der am Institut entwickelten Partikelmassenspektrometrie ermöglicht die Korrelation von Reaktionsbedingungen mit Partikelgrößenverteilungen. In Kooperation mit der Gruppe „Lasermesstechnik“ werden optische Verfahren für die In-situ-Messung eingesetzt. So ist es möglich, sowohl den Einfluss der Reaktionsbedingungen als auch den der chemischen Umgebung in der Reaktionsmischung auf Partikelwachstum, -morphologie und -zusammensetzung zu untersuchen. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Fluiddynamik wird das Ziel verfolgt, die Syntheseprozesse grundlegend zu verstehen. Auf dieser Basis ist auch die Skalierung der Verfahren bis in den industriellen Maßstab möglich.
Einen Schwerpunkt der aktuellen Arbeiten stellen Materialien dar, die sich in der Energietechnik einsetzen lassen: Themenfelder wie Katalyse, elektrochemische Energiespeicher, Photovoltaik, Thermoelektrik und Brennstoffzellen werden mit Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie bearbeitet und stehen im Zentrum der Aktivitäten des NanoEnergieTechnikZentrums (NETZ). Da viele der genannten Anwendungsfelder potenziell große Materialmengen erfordern, gilt ein besonderes Augenmerk bei der Materialauswahl der Nachhaltigkeit – sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verarbeitung und Anwendung. Das Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) überträgt die am IVG-RF erforschten Syntheseverfahren für Nanomaterialien in den Technikumsmaßstab.
Die Arbeitsgruppe trägt in erheblichem Maß zum Curriculum des Studiengangs NanoEngineering bei.
Synthese von Nanopartikeln in der Gasphase
Das Institut für Verbrennung und Gasdynamik beschäftigt sich schon lange - zunächst mit der Untersuchung - seit einigen Jahren auch mit der gezielten Herstellung von Nanopartikeln in der Gasphase. Waren anfänglich Partikel aus Verbrennungsprozessen Schwerpunkt der Untersuchungen, stehen heute neben den Flammenreaktoren wandbeheizte Rohrreaktoren, Laser- und Mikrowellen-Plasmareaktoren zur Verfügung.
Die Flammenreaktoren finden Verwendung bei der Synthese von oxidischen Materialien wie bspw. SiO2, TiO2, ZnO und Fe2O3. Nicht-oxidische Nanomaterialien lassen sich hingegen nicht in Flammenreaktoren synthetisieren. Zu ihrer Herstellung werden Reaktoren verwendet, die eine Vermeidung von Sauerstoff im Reaktionsgemisch ermöglichen. So können verschiedenste nanopartikuläre Pulver aus oxidationsempfindlichen Materialien wie Eisen, Silizium oder Indium erfolgreich hergestellt werden.
Synthese von Silizium-Nanopartikeln in einem Plasmareaktor
Erzeugung von Metalloxid-Nanopartikeln in einem Flammenreaktor
Elektrische Eigenschaften mesoskopischer Systeme
Ein Schwerpunkt des Graduiertenkollegs 1240 „Nanotronics - Photovoltaik und Optoelektronik aus Nanopartikeln“ ist die Synthese, Funktionalisierung und Vernetzung mesoskopischer, nanopartikulärer Systeme zu flächigen Funktionseinheiten. Eine wesentliche Voraussetzung für das Funktionieren solcher aus Nanopartikeln aufgebauten Schichten ist ihre Fähigkeit, elektrischen Strom zu transportieren. Durch Anwendung von AC- und DC-Methoden sind wir in der Lage, sowohl Schichten von Nanopartikeln elektrisch zu charakterisieren als auch Formkörper aus Nanopartikeln herzustellen und deren elektrische Eigenschaften zu messen.
Die Materialien können darüber hinaus in-situ konditioniert und unter einer definierten Atmosphäre untersucht werden. Mit Hilfe einer elektronisch geregelten hydraulischen Presse besteht die Möglichkeit, Veränderungen in der Leitfähigkeit auch während der Verdichtung der Materialien zu untersuchen.
Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit während der Kompaktierung
Strom-Spannungs Kennlinie
Impedanzspektroskopie an Nanomaterialien/Sensorik
Am Institut sind mehrere Messplätze zur Charakterisierung der Sensoreigenschaften von Nanopartikeln eingerichtet. In unserer Arbeitsgruppe wird die gesamte Prozesskette zur Herstellung der Sensoren durchlaufen. Von der Herstellung der Substrate mit Elektronenstrahl-Lithographie über die Belegung mit den sensitiven Schichten mittels Molekularstrahltechnik bis zur Charakterisierung der Sensoren bzgl. Selektivität und Sensitivität untersuchen wir den Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf die Funktion des Sensors. Der Zugriff auf alle Prozessparameter ermöglicht die gezielte Modifikation und detaillierte Charakterisierung aller Einflussgrößen.
Die Impedanzspektroskopie ist ein hilfreiches Werkzeug für die Charakterisierung von leitfähigen Nanomaterialien. Das große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von Nanopartikeln führt dazu, dass Oberflächen- und Korngrenzeffekte eine besonders wichtige Rolle bezüglich der Partikeleigenschaften spielen. Gerade diese Effekte lassen sich mit der Impedanzspektroskopie besonders gut untersuchen.
Kontrolle der fertigen Sensoren im Rasterelektronenmikroskop
Untersuchung von SnO2 mit Impedanzspektroskopie