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Ion-track technology based synthesis and characterization of gold and gold alloys nanowires and nanocones

Burr, Loïc :
Ion-track technology based synthesis and characterization of gold and gold alloys nanowires and nanocones.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ion-track technology based synthesis and characterization of gold and gold alloys nanowires and nanocones
Language: English
Abstract:

Metallic nanostructures are attracting growing interest because of their potential application in various devices such as batteries, solar cells, or drug delivery systems. This thesis focuses on the synthesis and characterization of three different nanostructures: (1) solid cylindrical AuAg nanowires with controlled composition and size, fabricated by electrodeposition in etched ion-track membranes with cylindrical channels, (2) porous cylindrical Au nanowires attained by selective dealloy-ing of AuAg nanowires, and (3) Au nanocones synthesized by electrodeposition in conical channels. AuAg nanowires with controlled diameter and composition, namely Au, Au40Ag60, Au60Ag40, and Ag were synthesized and characterized. By dealloying these nanowires were converted into porous Au-based nanowires with diameters above and below 100 nm possessing an enhanced surface area. Surface morphology and com-position of the nanostructures before and after dealloying were studied by means of high spatial resolution energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in a high-resolution transmission electron microscope (TEM). The results demonstrate surface segregation effects in solid AuAg nanowires that strongly vary with the initial composition. Surface segregation occurs on a time scale of days (< 3 days) inde-pendently of the wire dimensions. After dealloying of Au40Ag60 nanowires, the porous nanowires have a silver content below 10% and ligament size from 5 to 30 nm. Solid and porous wires are particularly attractive for future applications, e.g., in sensorics. The characterization of such small nanostructures regarding, e.g. electrical transport properties, requires suitable contacts. Special designs to contact nanowires by laser lithography as well as by using pre-patterned templates were developed. Gold nanocones with sharp tips down to 50 nm diameter and several microns large bases were fabricated. Given by this special geometry, the nanostructures exhibit a high mechanical stability and are freestanding with an aspect ratio of 500 and above. Stable gold nanocone arrays are attractive for a large range of applications including field emission and as coating for hydrophobic surfaces. In this work, the standard wire deposition process from base to tip was inverted in order to improve the electrical and thermal contact of the nanocones to the substrate. After selective removal of the template, 30 µm long gold nanocones with ~ 50 nm sharp tips were freestanding and vertically aligned. Such structures are highly tunable in terms of cone dimensions and number density. The field emission properties of patterned nanocone arrays, investigated in collaboration with the Bergische Universität Wuppertal, exhibit field enhancement factors between 200 and 1000 as well as a maximum emission current ranging from ~ 1 to 100 μA. The results presented in this thesis emphasize the variety of possibilities that ion-track technology offers in order to tailor dimensions and characteristics of nanostructures.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Metallische Nanostrukturen sind äußerst attraktiv für Anwendungen in Batterien, Solarzellen oder Arzneimitteln. In dieser Doktorarbeit wurden folgende Gold-Nanostrukturen durch elektrochemische Abscheidung in geätzten Ionenspurmembranen synthetisiert: (1) zylindrische Nanodrähte bestehend aus Gold oder Gold-Silber-Legierungen, (2) poröse, zylindrische Gold-Nanodrähte hergestellt durch selektives Auflösen des Silberanteils und (3) konische Gold-Nanodrähte (auch Nanokegel genannt). Durch Kontrolle der Prozessparameter wurden zylindrische Nanodrähte unterschiedlicher Zusammensetzung (Au; Au60Ag40; Au40Ag60; Ag) und mit vorgegebenen Durchmessern abgeschieden. Für Au40Ag60-Nanodrähte führte chemisches Auflösen des Silbers zu porösen Au-Nanodrähten mit stark vergrößerter Oberfläche. Morphologie und Zusammensetzung dieser Strukturen wurden mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Transmissions-elektronmikroskopie (TEM) untersucht. Die Analyse der elementaren Zusammensetzung der Au-Ag-legierten Drähte gibt klare Hinweise auf Oberflächensegregation. Au60Ag40-Drähte zeigen ungleichmäßig goldreiche Oberflächen, Au40Ag60 Nanodrähte hingegen zeigen Silberanreicherungen. Nach der selektiven Auflösung des Silbers bestehen die porösen goldreichen Nanodrähte aus 5 bis 30 nm breiten Ligamenten. Diese porösen Nanodrähte könnten künftig als Sensoren benutzt werden. Hierfür müssen allerdings der elektrische und thermische Wiederstand ermittelt werden. Um diese Messungen zu ermöglichen, wurden geeignete Kontaktierungsverfahren für AuAg-Nanodrähten mittels Laserlithographie getestet. Freistehende Gold-Nanokegel mit Mikrometer großen Basen und ca. 50 nm breiten Spitzen wurden elektrochemisch in Ionenspurmembranen mit asymmetrisch geätzten konischen Kanälen hergestellt. Stabile Nanokegel sind für Anwendungen interessant z.B. als hydrophobe Deckschicht oder als kalte Feldemitter. Die in dieser Arbeit hergestellten Gold-Nanokegel wurden elektrochemisch von der Spitze zur Basis abgeschieden, um die mechanische Stabilität zu verbessern und einen soliden elektrischen und thermischen Kontakt zum Substrat sicherzustellen. Ein Test an geordneten Nanokegel-Arrays zeigt kalte Feldemission mit Feldüberhöhungen zwischen 200 und 1000 sowie maximalen Emissionsströmen zwischen 1 und 100 µA. Die Ergebnisse diese Promotionsarbeit verdeutlichen die große Flexibilität und unterschiedlichen Möglichkeiten der Ionenspur-Nanotechnologie.German
L’intérêt croissant pour les nanotechnologies et plus particulièrement les nanostructures métalliques provient des besoins de nouveaux développements technologiques dans le domaine des batteries, des panneaux solaires ou en médecine. Cette thèse aborde la fabrication et la caractérisation de trois différentes structures à base d’or: (1) des nano-fils en alliage or et argent (AuAg), (2) des nano-fils poreux obtenus par la dissolution sélective de l’argent contenu dans des fils AuAg, et (3) des nano-cônes en or. Ces structures ont été synthétisées par électrodéposition dans des pores calibrés de membranes polymères. Elles ont été obtenues par révélation chimique des traces latentes laissées dans le matériau après irradiation par des ions lourds accélérés (plus connus sous le nom anglais « ion-track technology »). Cette technique permet de contrôler précisément le diamètre et la composition des nano-fils d’alliage or-argent. La dissolution de l’argent contenu dans des fils de composition Au40Ag60 par corrosion sélective rend possible l’obtention de nano-fils poreux. L’évolution de la morphologie et de la composition de ces nano-fils a été étudiée par microscopie électronique en transmission couplée à une analyse dispersive en énergie (EDX) avant et après traitement corrosif. Avant la dissolution de l’argent, les nano-fils sont cylindriques, mais leur composition n’est pas homogène. Une ségrégation de surface se produit au bout de quelques jours (< 3 jours). Les nano-fils de composition Au60Ag40 voient leur surface enrichie en or et, à l’inverse, celle des fils Au40Ag60 s’enrichie en argent. Après le traitement corrosif, seuls les fils comportant le plus d’argent (Au40Ag60) permettent la fabrication de nano-fils poreux, donnant lieu à une augmentation de leur surface. De tels fils sont particulièrement intéressants pour le développement de détecteurs ultra-sensibles. A cette fin, leurs propriétés électriques et thermiques doivent être caractérisées. En vue de la prochaine évaluation de ces propriétés, des nano-fils ont été connectés électriquement par un procédé de photolithographie laser. Des nano-cônes, dont la pointe présente un diamètre inférieur à 50 nm, ont été fa-briqués grâce à des membranes poreuses révélées chimiquement de manière asymé-trique. D’une base de quelques micromètres de large, ces nano-cônes sont mécani-quement très stables. Ces structures autoportantes atteignent des rapports d’aspect supérieurs à 500. Elles peuvent être utilisées pour fabriquer des surfaces super-hydrophobes et autonettoyantes, ou servir de cathodes à émission électronique par effet de champs. Pour ces travaux, les cônes ont été synthétisés par électrodéposi-tion dans une membrane poreuse depuis la pointe vers la base, grâce à une électrode sacrificielle. Cette déposition inversée permet de contrôler précisément la densité et la dimension des cônes. L’émission par effet de champs de réseaux de nano-cônes parallèles a été mesurée en collaboration avec la Bergische Universität de Wupper-tal. Nous avons obtenus des facteurs d’amélioration de l’émission entre 200 et 1000, ainsi que des claquages sous vide à des courants entre 1 et 100 µA. Les résultats présentés dans cette thèse soulignent la flexibilité et la performance de l’« ion-track technology » pour la fabrication de nanostructures métalliques.French
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Ion-track templates, etching polycarbonate, nanowire, nanocone, porous gold, dealloying, silver-gold alloy, surface segregation, field emission, lithography, electrodeposition
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
Date Deposited: 07 Jul 2016 06:50
Last Modified: 07 Jul 2016 06:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55410
Referees: Trautmann, Prof. Dr. Christina and Krupke, Prof. Dr. Ralph and Stark, Prof. Dr. Robert and Völklein, Prof. Dr. Friedemann
Refereed: 13 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5541
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