Nanoporöse gesputterte Platin-Iridium-Schichten für Anwendungen in der Medizin- und Energietechnik

• Nanoporous sputtered Platinum-Iridium-thinfilms for medical and energy applications

Ganske, Gerald; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Durch die Kathodenzerstäubungsprozesstechnologie (Sputtern) ist es möglich, Schichten zu erzeugen, die durch Einstellung der Prozessparamter auf ein Einsatzgebiet hin optimiert werden können. In dieser Arbeit sind Dünnfilme auf der Basis von Platin und Iridium für zwei Anwendungen, einmal als Elektrodenmaterial zur Stimulation von Nervenzellen und zum anderen als Katalysatormaterial in Wasserstoff-Brennstoffzellen, abgeschieden und charakterisiert worden. Zunächst ist der Depositionsprozess von Platinschichten im Hinblick auf eine große Porosität optimiert worden, wobei sich gezeigt hat, dass ein Kammerdruck von 9 Pa und eine Sputterleistung von kleiner gleich 100 W zu einem optimalen Kompromiss zwischen Abscheiderate, Porosität und ungeordneter Kristallstruktur führt. Weiterhin ist ein Co-Sputterprozess zur Herstellung von homogenen Platin-Iridiumschichten (PtIr) entwickelt worden. Wenn die Atome beim Auftreffen auf das Substrat nur noch ihre thermische Energie haben, weisen die Schichten sowohl die große kristalline Struktur von Platin als auch die feineren selbstähnlichen Knospen der Iridiumstruktur auf. Das atomare Verhältnis und der interatomare Abstand von PtIr-Schichten kann präzise durch die Sputterleistung eingestellt werden. Das säulenartige Platin-Iridium-Schichtwachstum ist mit einer Monte-Carlo-Wachstumssimulation berechnet worden und konnte mit Hilfe von REM-Aufnahmen bestätigt werden. Die Simulationen haben zudem ergeben, dass sich Atome von beiden Elementen in etwa im Verhältnis zur Sputterleistung an der Oberfläche befinden und zu elektrochemischen Reaktionen beitragen können. Elektrodenmaterialien zur Stimulation von Nervenzellen benötigen eine große elektrochemisch aktive Oberfläche, die eine Umsetzung der elektrischen Elektronenleitung in eine Ionenleitung erlaubt. Sowohl Platin- und Iridiumschichten als auch co-gesputterte PtIr-Schichten weisen die größte Oberfläche und somit auch die größte Ladungstransferkapazität auf, wenn sie beim Auftreffen auf das Substrat nur noch ihre thermische Energie besitzen. Reines Iridium weist insgesamt die höchste Ladungstransferkapazität von den untersuchten Materialien auf (48 mC/cm²), gefolgt von Platin-Iridium (29 mC/cm² bei gleicher Leistung von 100 W an beiden Targets) und Platin (16 mC/cm²). Dies liegt vor allem daran, dass die Iridiumschichten die größte Oberfläche haben und elektrochemisch aktiviert werden können. PtIr-Schichten mit hohem Iridiumanteil können ebenfalls elektrochemisch aktiviert werden, wenn auch bei weitem nicht so ausgeprägt wie reine Iridiumschichten. Für Anwendungen als Brennstoffzellenkatalysatormaterial zeigen gesputterte Platinschichten mit hoher Porosität neben der größeren aktiven Oberfläche (45 cm²real/cm²geom bei 9 Pa Sputterdruck) auch eine deutlich gesteigerte kinetisch limitierte Stromdichte (514 µA/cm² bei 9 Pa Sputterdruck), was auf einen erhöhten Anteil an Kristallen in [200]-Orientierung zurückzuführen ist. Diese Platin-schichten sind kommerziellen chemisch beschichteten Elektroden bei Anwendungen in Wasserstoff-Brennstoffzellen im Hinblick auf die Effizienz der Edelmetallausnutzung überlegen. Bei co-gesputterten PtIr-Schichten führt ein Iridiumanteil von circa 11% zu einer Oberflächenzunahme von fast 20% gegenüber den schon sehr porösen Pt-Schichten und einer um den Faktor sechs verbesserten Sauerstoffreduktionsfähigkeit im flüssigen Elektrolyten. Dadurch ist PtIr, wie Tests bewiesen haben, als Kathodenmaterial in der Brennstoffzelle sogar gesputterten reinen Platinschichten überlegen. Dieses Ergebnis ist auf den reduzierten Abstand zwischen den Atomen im Kristallgitter und den größeren Anteil an Kristallen in [200]-Richtung zurückgeführt worden und deckt sich mit Ergebnissen anderer Gruppen an chemisch hergestellten Katalysatoren.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]