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Elektrochemisch-konstruiertes poröses Platin zur Optimierung von Infrarotsensoren

Die besonderen Eigenschaften von Platin betreffen mehrere anspruchsvolle Anwendungen, vom Standard in der Messtechnik bis zur Herstellung von Mikroelektronik. Wissenschaftliche Bemühungen konzentrieren sich auf die Schaffung von Platinstrukturen mit neuen optischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck haben wir elektrochemisch poröse Platin-Nanoschichten konstruiert, welche eine hohe Absorption in einem breiten Infrarot-Wellenlängenbereich (20 µm-0,2 µm) aufweisen.

Abbildung 1. Optische Eigenschaften der elektrochemisch aufgebauten porösen Platin-Dünnschicht. (A) Schematische Darstellung (oben) und Foto (unten) der IR-Sensorkomponente (Nanoschichten aus Si/Ag/NiCr) vor der elektrochemischen Abscheidung von porösem Platin; (B) Seitenansicht REM-Bild der porösen Platin-Dünnschicht, teilweise vom Substrat gelöst [2]; (C) schematische Darstellung (oben) und Foto (unten) der IR-Sensorkomponente nach der elektrochemischen Abscheidung von porösem Platin; (D) FTIR-Reflexionsspektren im Bereich von 400-8000 cm-1 des 1 cm x 1 cm-Chips vor (grün) und nach (schwarz) der elektrochemischen Abscheidung von porösem Platin [3]. Für das Referenzspektrum wurde ein Silberspiegel verwendet.

Von Sarmiza Stanca

Das Entwerfen nanostrukturierter Komponenten von Infrarotsensoren ist Voraussetzung für deren Optimierung. Mehrere wissenschaftliche Studien über fraktale und plasmonische Strukturen haben bereits versucht, ideale Infrarot-Absorber zu finden und sie auf einer „Subwellenlängen“-Dünnschicht-Skala in optoelektronische Geräten zu bringen. Edelmetallschwarz stellt in diesem Zusammenhang ein geschätztes optisches Absorbermaterial mit dem Potenzial für den Einsatz als dünne Schicht in optischen Sensoren dar. Die derzeit verfügbaren optischen Absorber im Wellenlängenbereich von 0,4 μm bis 20 μm basieren auf Silberschwarz. Silberschwarz zeigt jedoch eine unerwünschte chemische Reaktivität gegenüber Luftkomponenten, was seine langfristige Leistungsstabilität beeinträchtigt. Unsere Alternative ist die Verwendung von porösem Platin, das zusammen mit einer breiten Absorption und einem geringen Reflexionsgrad vom ultravioletten bis zum infraroten Bereich [1] die erforderliche chemische Stabilität an der Luft aufweist. In den meisten Fällen erfordert das Einsetzen eines optischen Absorbers beim Bau der Mikroelektronik ein nichtwässriges Medium für den Betrieb und die Aussicht, dass das Material in eine Dünnschicht eingebracht werden kann. Daher ist eine In-situ-Elektroabscheidung von Platinschwarz auf den Mikrobauteilen in nichtwässrigen Medien von praktischem Interesse. Das elektrochemische In-situ-Verfahren erreicht eine hohe Regelmäßigkeit und eine präzise Lokalisierung des elektrisch assemblierten Metalls innerhalb weniger Sekunden. Vor kurzem konnten wir Schichten aus Platinschwarz (mit porösem Erscheinungsbild und nicht metallisch glänzend) in Isopropanol mit einer Dicke kleiner als sichtbare Wellenlängen (Abb. 1) auf Substraten wie Platin, Gold, Silber, Edelstahl, Kupfer, Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Aluminium [1,2] elektrochemisch aufbauen sowie auf metallischen Nanoschichten mit Mehrfachübergängen, die aus silberspiegelgetragenen Nickel-Chrom- und Nickel-Titan-Metallfilmen mit schrittweise abnehmender Dicke von 80‑10 nm [3] bestehen.

Elektrochemische Abscheidung einer porösen Platin-Dünnschicht auf verschiedenen Substraten:

Für die Elektrolyse wurde eine elektrochemische 20 ml Zelle mit zwei Elektroden verwendet, die mit einer Dauerstromquelle [1-3] verbunden sind, was eine elektrische Stromdichte von 0,1 A cm-2gewährleistet. Zur Synthese von Platinschwarz in Isopropanolmedien wurden 0,05 g PtCl4und 0,008 g Pb(CH3COO)2in 10 ml Isopropanol gelöst als Elektrolytbad verwendet. Die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode werden in einen Elektrolyten getaucht und die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden wird über eine externe Stromversorgung fixiert. Als Anode dient eine Platinplatte. Als Kathode wurden nacheinander verwendet: Platinplatte, Aluminiumfolie, Silberdraht, Zinn-Kupfer-Legierungsdraht, Goldschicht, ITO, Kupferdrähte [2] und die Nanoschichten von NiCr 50:50 und NiCr 80:20, sowie Ni/Ti-Nanoschichten [3] auf Silberspiegel-Silizium-Substraten.

Die porösen Platinarchitekturen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugungsanalyse, energiedispersiver Röntgenspektrometrie (EDX) und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) [1-3] untersucht. Die Schichten bestehen aus Platinkristallen mit einer polykristallinen, flächenzentrierten kubischen Struktur mit kleiner Textur, die zu einer Erhöhung der 111-Reflexion führt [2]. Bei der Bewertung des XRD-Spektrums des porösen Platins wurde die Kristallitgröße auf etwa 10 nm geschätzt. Die EDX-Spektren identifizierten eindeutig die Peaks in Bezug auf Platin [1]. Es wurde beobachtet, dass die Dicken und Widerstände der Schichten und Unterschichten einen wesentlichen Einfluss auf die poröse Platinmorphologie und ihre optischen Eigenschaften haben. Die Erweiterung der elektrischen Leitfähigkeit der Metallschicht des Substrats bestimmt die Galvanisierung kompakterer Platin-Nanoschichten. Darüber hinaus bewirkt die poröse Platinbeschichtung von metallischen Nanoschichten eine deutliche Abnahme des Reflexionsgrades im Bereich von 1000-8000 cm-1(Abb. 1D) [3].

Die breite Absorption und geringe Reflexion des porösen Platins im Wellenlängenbereich von 0,4 µm bis 20 μm ermöglicht seinen Einsatz als hochtemperaturbeständige optische Absorberschicht für die Herstellung von Infrarotsensoren. Aufgrund einer breiten Resonanz im sichtbaren Bereich besitzt dieses Material das Potenzial für den Bau von empfindlichen Solarzellen. Die große spezifische Oberfläche von porösem Platin könnte Anwendungen in der Katalyse ermöglichen.

Zugehörige Publikationen:

1. Stanca S E, Hänschke F, Ihring A, Zieger G, Dellith J, Kessler E, Meyer H-G, Chemical and electrochemical synthesis of platinum black, Sci. Rep. 7(2017) 1074

2. Stanca S E, Hänschke F, Zieger G, Dellith J, Ihring A, Undisz A, Meyer H-G, Optical Assets of In situ Electroassembled Platinum Black Nanolayers, Sci. Rep. 7(2017) 14955

3. Stanca S E, Hänschke F, Zieger G, Dellith J, Dellith A, Ihring A, Belkner J, Meyer H-G, Electro-architected porous platinum on metallic multijunction nanolayers to optimize their optical properties for infrared sensor application, Nanotechnology 29 (2018) 115601 (12pp).

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