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

Ganske, Gerald; Mokwa, Wilfried

doi:999910281384

Nanoporöse gesputterte Platin-Iridium-Schichten für Anwendungen in der Medizin- und Energietechnik = Nanoporous sputtered Platinum-Iridium-thinfilms for medical and energy applications

Ganske, Gerald (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gerald Ganske

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang142 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-10-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43259
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197470/files/4325.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sputtern (Genormte SW) ; Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Elektrostimulation (Genormte SW) ; Platin (Genormte SW) ; Iridium (Genormte SW) ; Platinlegierung (Genormte SW) ; Cyclovoltammetrie (Genormte SW) ; Dünnschichttechnik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Platin-Iridium (frei) ; PtIr (frei) ; Platinum-Iridium (frei) ; electrostimulation (frei) ; fuel cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Sputtering makes it possible to create thinfilms of only a few atom layers and to customize them for special applications by adjusting the deposition parameters. In this work interface-layers are deposited and characterized in biological systems as stimulation electrodes for neural cells and as catalysts in hydrogen fuel cells. First of all, highly porous platinum films were created by sputtering at a pressure of 9 Pa and low power of less than 100 W. These parameters are an ideal compromise between deposition rate, porosity and disordered crystal structure of the layers. Investigations on co-sputtered platinum-iridium-films (PtIr) showed that these films form homogeneous structures and no distinction between the separate layers is possible. It was demonstrated that these films obtain the crystal structure of Pt as well as the finer cauliflower-like structure of iridium, if the atoms reach the substrate surface only with their thermal energy. Furthermore, it was shown that the film composition reflects the sputtering power of the separate targets in a linear way. The structure of the films can be predicted by means of monte-carlo-simulation, which was verified by SEM-pictures. The ratio of the sputtering power can be used to control the amount of interface elements which was confirmed by electrochemical tests. Electrode materials for the stimulation of neural cells need a large electrochemically active surface that allows for an interface between electron and ion conductivity. Test on platinum, iridium and PtIr have shown that the films sputtered at the lowest impact energy do have the largest active surface as well as the largest charge delivery capacity (CDC). Iridium films show the highest CDC (48 mC/cm²), followed by platinum-iridium (2 mC/cm², 100 W power at both targets) and pure platinum (16 mC/cm²). This can be explained by the large surface area of iridium and its electrochemical activation process. Although PtIr layers also show an activation process, it is much smaller than for Ir films. For fuel cell catalyst applications a large active surface (45 cm²real/cm²geom at 9 Pa sputtering pressure) is also beneficial, which was shown for Pt-films. These films have a drastically increased kinetically limited current density (514 µA/cm²) due to the increased amount of [200]-oriented crystals. Tests in a fuel cell environment proved that sputtered films are superior to commercial chemical catalysts in the utilization of the used platinum. Tests with PtIr films with an amount of about 11% iridium proved an active surface area increase of 20% in regard to the optimized platinum layers. Also the oxygen reduction reaction in acid electrolyte current was sixfold higher for PtIr. Because of this, PtIr is even superior to sputtered pure Pt, which was shown in fuel cell tests. This can be explained by a reduced lattice spacing and an increased amount of more reactive crystals in [200]-direction. These explanations do agree with previously published data of other groups for chemically produced catalysts.

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