Plasmasynthese neuartiger Materialien
Mikrowellen-Plasmareaktor
Plasma kann als vierter Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig bezeichnet werden. Es besteht aus Molekülen, Atomen, Ionen, Elektronen und Photonen und kann hohe Temperaturen und Energiedichten erreichen. Die von uns verwendeten Mikrowellen-Plasmareaktoren arbeiten in einem Temperaturbereich von einigen tausend Kelvin und ermöglichen damit ähnliche Betriebsbedingungen hinsichtlich des Temperatur-Zeit-Profils wie Flammenreaktoren. Im Gegensatz zu diesen sind jedoch weder Brennstoffe noch Oxidationsmittel erforderlich, sodass auch Reaktionsbedingungen unter inerten oder reduzierenden Atmosphären möglich sind. Somit ermöglicht der Mikrowellen-Plasmareaktor die Synthese einer Vielzahl von Nanomaterialien, erfordert jedoch bislang verdampfbare Vorläuferstoffe.
Abbildung 1: Links: Nachglühen eines Mikrowellen-Plasmareaktors (violett bis weiß) und Strahl aus Silizium-Nanopartikeln (gelb, flammenartige Struktur). Rechts: Schematische Darstellung der iplas-Mikrowellen-Plasmabefeuerung.
Literatur
[1] N. Petermann, T. Schneider, J. Stötzel, N. Stein, C. Weise, I. Wlokas, G. Schierning, H. Wiggers, Microwave plasma synthesis of Si/Ge and Si/WSi2 nanoparticles for thermoelectric applications, J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015) 314010, DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/31/314010
[2] C. Tendero, C. Tixier, P. Tristant, J. Desmaison, P. Leprince, Atmospheric pressure plasmas: A review, Spectrochimica, Acta Part B: Atomic Spectroscopy 61 (2006) 2–30, DOI: https://doi.org/10.1016/j.sab.2005.10.003.
Hochfrequenz-Plasmareaktor
Im Vergleich zu unseren Mikrowellen-Plasmareaktoren erzeugen Hochfrequenz-Plasmareaktoren thermische Plasmen mit Maximaltemperaturen von über 10.000 K. Thermische Plasmen haben ein breites Anwendungsspektrum, da sie aufgrund der hohen Plasmatemperaturen zahlreiche Materialien verdampfen können. Sie können daher zur Herstellung von Nanomaterialien in einer hochreinen und kontrollierten Atmosphäre durch Verdampfung und Kondensation eingesetzt werden. HF-Plasmen sind induktiv gekoppelte Plasmen (ICP). Da alle Arten von Vorläufern wie Feststoffe (in Form von Pulvern), Flüssigkeiten, Suspensionen und Gase verwendet werden können, ist die Herstellung einer Vielzahl von Materialien wie Metallen, Legierungen, Keramiken usw. möglich.
Insgesamt handelt es sich bei diesem Verfahren also um eine Kombination aus einem Top-down- und einem Bottom-up-Ansatz bei der Synthese von Nanopartikeln. Durch die Veränderung der Prozessparameter lassen sich Eigenschaften wie Größe, Zusammensetzung und Struktur dieser Partikel steuern, sodass ein maßgeschneidertes Produkt entsteht.
Unser RF-Plasma Gerät (TekNano-15, TEKNA) ermöglicht die Herstellung von nanoskaligem Silizium aus mikroskaligem metallurgischem Silizium. Während des Verfahrens (siehe Abbildung 2) kommt es aufgrund einer elektrischen Leistung von bis zu 15 kW und dementsprechend sehr hoher Temperaturen zu einer vollständigen Verdampfung des mikroskaligen Siliziums und einer anschließenden Kondensierung durch kontrollierte Kühlung und Nukleation aus der Gasphase. Nanoskaliges Silizium entsteht. Unter anderem lässt sich durch Variation der Zusammensetzung und des Durchflusses des Quenchgases sowie der Förderrate des Präkursors gezielt die thermodynamischen und kinetischen Bedingungen kontrollieren. So lassen sich Produkteigenschaften beeinflussen.
Nanoskaliges Silizium kann die Rissbildung, welche aufgrund einer Volumenausdehnung von bis zu 300 % während der Lithiierung auftreten kann, reduzieren und die elektrochemische Performance so verbessern. Unser Produkt zeigt im Vergleich zu mikroskaligem Silizium deutlich bessere elektrochemische Eigenschaften und ist daher ein vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des RF-Plasma Reaktors.