Mikrowellen-Plasma-Reaktor

Ziel
Gasphasen Plasmareaktoren sind hervorragend geeignet für die Synthese von nicht aggregierten, hochspezifischen Nanomaterialien, speziell aus Silicium. Silicium ist eines der Grundmaterialien der Halbleiterindustrie. Es findet breite Anwendungen in Computerchips, Solarzellen und als Basismaterial für Sensoren. Zusammen mit Germanium ist es auch ein viel diskutiertes Element für die Verwendung in Hochtemperatur-Thermoelektrika. Die Nanostrukturierung von Silicium zeigt facettenreiche neue Eigenschaften dieses alt bekannten Materials auf, wie zum Beispiel einstellbare Photolumineszenz, verbesserte thermoelektrische Effizienz und Anwendungsmöglichkeiten in Elektroden von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Dieser Reaktor ermöglicht die Synthese ausreichender Mengen maßgeschneiderter Nanopartikel für Untersuchungen ihrer Eignung für unterschiedliche Anwendungen. Er dient ebenso zur Erforschung der Partikelbildung in Abhängigkeit von den Syntheseparametern auf Größe, Morphologie und Eigenschaften.

Verfahren
Dieser Mikrowellenströmungsreaktor erzeugt ein Plasma aus Argon und Wasserstoff,  in dem gasförmige Ausgangsstoffe z.B. Silan (SiH4) zerlegt werden und einen übersättigten Dampf bilden. Dieser übersättigte Dampf kondensiert, abhängig von den herrschenden Bedingungen, zu Kristallen mit Durchmessern zwischen 5 und 100 nm. Produktionsraten von einigen Gramm pro Stunde können über diesen Syntheseweg erreicht werden. Das Syntheseprodukt wird von dem Gasstrom in einen Filterabscheider gefördert, in dem es gesammelt und für eine Abfüllung unter Inertgas bereit gehalten wird. Die quantitative Umsetzung der Prekursoren wird online mit Massenspektrometrie überwacht. Die Synthese findet bei 10–200 mbar, 1–2,5 kW Mikrowellenleistung und Gesamt-Gasflüssen von 5-15 slm statt. Der Prekursorfluss variiert zwischen 10 und 200 sccm. Das plasmagestützte Verfahren erlaubt darüber hinaus die Synthese eines breiten Spektrums von oxidischen und nicht-oxidischen Nanopartikeln aus gasförmigen oder verdampfbaren Ausgangsstoffen.

Veröffentlichungen         
J. Knipping, H. Wiggers, B. Rellinghaus, P. Roth, D. Konjhodzic, C. Meier „Synthesis of high purity Silicon nanoparticles in a low pressure microwave reactor“ J. Nanosci. Nanotech. 4, 1039-1044, (2004).

Kontakt
Prof. Dr. C. Schulz, Christof Schulz, Tel.:  +49 (0)203 - 379 8161, IVG