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Synthese und Funktionelle Materialeigenschaften 2D-Angeordneter SiC- und SiCN-Nanostrukturen

Siozios, Vassilios :
Synthese und Funktionelle Materialeigenschaften 2D-Angeordneter SiC- und SiCN-Nanostrukturen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Synthese und Funktionelle Materialeigenschaften 2D-Angeordneter SiC- und SiCN-Nanostrukturen - Text (pdf)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Synthese und Funktionelle Materialeigenschaften 2D-Angeordneter SiC- und SiCN-Nanostrukturen
Language: German
Abstract:

Die Herstellung quasi-eindimensionaler nichtoxidischer Siliciumkeramiken stellt eine große Herausforderung dar und konnte lediglich für Siliciumcarbid realisiert werden. Quasi-eindimensionale Siliciumcarbid-Nanostrukturen werden durch optimierte klassische Syntheseverfahren des Siliciumcarbids hergestellt, sind einkristallin und ihre Aspektverhältnisse sowie Orientierung lassen sich während der Synthese nur schwer kontrollieren. Die vorliegende Arbeit erweitert das Spektrum der nichtoxidischen quasi-eindimensionalen Silicium- keramiken bezüglich der Geometrie und der chemischen Zusammensetzung im Si/C/N-System. Die Entwicklung eines geeigneten Templat-Verfahrens ermöglicht zum ersten Mal die Nanostrukturierung der polymerabgeleiteten Keramiken durch ihre Infiltration in nanoporöse Template mit zylindrischen Poren. Die thermisch induzierte Keramisierung des Infiltrats mit anschließender Templat-Entfernung führt zur Herstellung keramischen Nanostrukturen mit maßgeschneiderter Geometrie und chemischer Zusammensetzung. Voruntersuchungen basierend auf kommerziell erhältliche Aluminiumoxid-Membranen beweisen eine erhöhte chemische Wechselwirkung zwischen Aluminiumoxid und Siliciumpolymeren. Diese Erkenntnis erklärt die begrenzten wissenschaftlichen Untersuchungen auf diesem Gebiet und lenkt das Ziel der Arbeit zur Entwicklung eines neuartigen nichtoxidischen und hochtemperaturstabilen Templats. Diese Herausforderung konnte durch erstmalige Umwandlung der Aluminiumoxid- in Aluminiumnitrid-Membranen über Reaktivgassynthese unter Erhaltung der Porenstruktur gemeistert werden. Systematische Infiltrationsuntersuchungen werden mit chemisch inerten Aluminiumnitrid-Membranen durchgeführt. Das entwickelte Templat-Verfahren erlaubt die Flüssiginfiltration niedrigviskoser und die Vakuuminfiltration hochviskoser Siliciumpolymere sowie die in situ Sol-Gel-Infiltration des nichtoxidischen siliciumcarbodiimid-basierten Sol-Gel-Systems. Die keramische Ausbeute des präkeramischen Vorläufers entscheidet über die Entstehung von hohlen Nanoröhren bzw. massiven Nanostäben. Die 2D-Anordnung der Nanostrukturen bleibt nach der Entfernung des Templats erhalten. Die quasi-eindimensionalen polymerabgeleiteten SiCN-Nanostrukturen sind röntgenamorph und weisen nach der Keramisierung eine identische chemische Zusammensetzung wie die entsprechenden SiCN-Bulk-Keramiken auf. Die Struktur/Eigenschaftsbeziehungen in diesem System kommen erst nach Behandlung der Nanostrukturen bei hohen Temperaturen zum Vorschein. Die Kristallisation der Nanostrukturen tritt unter Ausscheidung des kristallinen Siliciumnitrids ab 1400 °C ein. Zum ersten Mal werden polykristalline und kompositartige Si3N4/SiC/C-Nanostrukturen hergestellt. Zusätzlich zeigen die nanostrukturierten SiCN-Keramiken anders als die entsprechenden SiCN-Bulk-Keramiken nach isothermer Auslagerung bei 1400°C eine höhere Reaktivität gegenüber Stickstoff, wobei eine Stickstoff-Anreicherung festgestellt wird. Ansätze für eine photolithographie-basierte Prozessierung und Anwendung der hergestellten 2D-angeordneten Nanostrukturen in mikroelektromechanische Systeme werden vorgestellt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The synthesis of one-dimensional non-oxide silicon-based ceramics will be a major challenge. Particularly, one-dimensional silicon carbide nanostructures were achieved and can be synthesized by optimized classical manufacturing processes of silicon carbide. The nanostructures are single-crystals. Aspect ratio and arrangement of silicon carbide nanostructures cannot be controlled with experimental conditions easily. The objective of present study extends the range of one-dimensional non-oxide silicon-based ceramics with respect to morphology and chemical composition in the Si/C/N-system. The development of a novel suitable template-technique allows for the first time the nanostucturing of polymer-derived ceramics by polymer infiltration and pyrolysis of silicon-based polymers with sacrificial nanoporous materials with cylindrical pores. Thermal induced pyrolysis of ceramic precursors and dissolving of template lead to freestanding nanostructures with tailored morphology and chemical composition. Preliminary experiments are carried out by liquid infiltration of polyureasilazanes using commercially available anodic aluminum oxide membranes as a template. The results confirm a high interaction of aluminum oxide with polymer-derived ceramics and explain the low scientific activities on this research topic. The development of a novel non-oxidic and high temperature-stable sacrificial template is investigated. The nitridation of anodic aluminum oxide membranes by reactive gas synthesis according to the shape memory synthesis was as major challenge of this work. Systematic investigations of infiltration of polymer-derived ceramics are carried out with aluminum nitride membranes. The novel template-technique made possible the liquid infiltration of low-viscosity and high-viscosity silicon-based polymers. In particular, the in situ sol-gel infiltration of silicon carbodiimid compounds provides new synthesis methods. The ceramic yield decides on the formation of ceramic nanotubes and ceramic Nanorods. 2D-arranged nanostructures are received direct after dissolving of the template. The one-dimensional polymer-derived SiCN-ceramics are amorphous and exhibit the same chemical composition as the corresponding SiCN-bulk-ceramics. Quantum size effects occur after treatment at elevated temperature. The polymer-derived SiCN-nanostructures crystallize at 1400 °C. For the first time the formation polycrystalline silicon nitride is observed by low-nitrogen polymer-derived SiCN-ceramics. The crystallization of SiCN-nanostructures leads to one-dimensional Si3N4/SiC/C-composites. In comparison to the SiCN-bulk-ceramics interact SiCN-nanostructures with nitrogen at 1400 °C. The nitrogen contend of SiCN-nanostructures can be enhanced by annealing under nitrogen. Preliminary studies for patterning of 2D-nanostructures arrays by photolithography are presented.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Polymerabgeleitete keramische Nanostrukturen, SiC-Nanostrukturen, SiCN-Nanostrukturen, Nanoröhren, Nanostäbe, Organosiliciumpolymere, Siliciucarbodiimide
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Polymer derived ceramic nanostructures, SiC-nanostructures, SiCN-nanostructures, nanotubes, nanorods, organosilicon polymer, siliconcarbodiimidesEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Dispersive Solids
Date Deposited: 01 Dec 2015 12:20
Last Modified: 01 Dec 2015 12:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51670
Referees: Riedel, Prof. Dr. Ralf and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 11 September 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5167
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