DE102007041374A1 - Producing quantum structures and/or continuous nano-metal islands on substrate for bipolar plates, by cleaning substrate surface from impurities and/or oxide layers, structuring and then depositing active atomic- and/or molecular clusters - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten zur Schaffung photovoltaisch, elektrochemisch und/oder elektrokatalytisch aktiver Oberflächen.The The invention relates to a method for coating substrates for the creation of photovoltaic, electrochemical and / or electrocatalytic active surfaces.
Für derartige aktive Oberflächen wird die gezielte, aber nicht vollflächige Auf-/und Einbringung schwerer Metall-Atome und Ionen auf die Oberflächen bzw. in die oberen Atomlagen der Oberfläche angestrebt.For Such active surfaces will be targeted, but not full-surface application and introduction of heavy metal atoms and ions on the surfaces or in the upper atomic layers aimed at the surface.
Als
Stand der Technik ist
Die Erfindung dagegen hat sich zur Aufgabe gestellt, quantisierte Zustände oder sogenannte diskontinuierliche Metallinseln auf Substraten zu schaffen. Elektrochemisch oder photokatalytische aktive Oberflächen dieser Art oder korrosionschützende Oberflächen finden auf vielen Gebieten der Technik zur Zeit zunehmend Beachtung. Zum einen lassen sich mit diskontinuierlichen Edelmetallschichten z. B. auf Silizium photovoltaische Wirkungsgrade gezielt erhöhen, andererseits sind elektrochemische Oberflächen insbesondere zur Herstellung hochaktiver Elektroden mit geringen Überspannungen zur Erzeugung von Wasserstoff oder in Brennstoffzellen von Bedeutung.The The invention, on the other hand, has set itself the task of quantized states or so-called discontinuous metal islands on substrates create. Electrochemical or photocatalytic active surfaces this type or anticorrosive surfaces are becoming increasingly popular in many fields of technology. On the one hand, with discontinuous noble metal layers z. B. specifically increase photovoltaic efficiencies on silicon, On the other hand, electrochemical surfaces are in particular for the production of highly active electrodes with low overvoltages for the production of hydrogen or in fuel cells of importance.
Schließlich sind elektrisch leitfähige, korrosionsbeständige Oberflächen für Bipolarplatten, sei es zur Elektrolyse oder für Brennstoffzellen auch mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren auf besonders vorteilhafte Weise herstellbar. Edelmetallschichten nanoskalierter oder subnanoskalierter Dicke sind mit den genannten hohen Wirksamkeiten zu kostengünstigen Bedingungen massentechnisch herstellbar.After all are electrically conductive, corrosion resistant Surfaces for bipolar plates, be it for electrolysis or for fuel cells also with the inventively proposed Method can be produced in a particularly advantageous manner. precious metal layers nanoscale or subnanoscaled thickness are mentioned with the high efficiencies to cost-effective conditions mass produced.
Bisher wurden im Stand der Technik sehr unterschiedliche Möglichkeiten aus verschiedenen Beschichtungstechniken genutzt. Galvanisch lässt sich beispielsweise Platin in nur wenigen Atomlagen als UPD-(under potential deposition)-Schicht abscheiden oder läßt sich aus der Edelmetallverbindung durch Aufsprühen mit anschließendem Temperprozess abscheiden.So far were in the prior art very different ways used from various coating techniques. Galvanic leaves For example, platinum in just a few atomic layers as UPD (under Depositing or leaving potential deposition layer from the precious metal compound by spraying with deposition of subsequent annealing process.
Auch durch das sogenannte ALD-(atomic layer deposition)-Verfahren, mit dem über eine meist metallorganische Precursorchemie Atomlage für Atomlage das gewünschte Metall an der Oberfläche abgeschieden wird, ließen sich Edelmetallverbindungen abscheiden, jedoch eben nur über den kostenträchtigen Umweg über die Precursormaterialien und stets mit schlechten Hafteigenschaften.Also by the so-called ALD (atomic layer deposition) method, with the atomic layer via a mostly organometallic precursor chemistry For atomic layer, the desired metal is deposited on the surface However, precious metal compounds could be deposited, however just about the costly detour over the precursor materials and always with poor adhesive properties.
Weiterhin sind wie oben schon erwähnt PVD-Beschichtungsverfahren eingesetzt worden, wobei insbesondere das Kathodenzerstäubungsverfahren eine gewisse Bedeutung erlangt hat. Um jedoch gezielt Metallinseln zu erzeugen, müssen die Proben im Winkel zur Zerstäubungswelle angeordnet werden und die Probe wird nach Strukturierung streifenbeschichtet. Dies hat im Stand der Technik einen schnell abfallenden Wirkungsgrad zur Folge.Farther are as already mentioned above PVD coating process has been used, in particular the sputtering process has attained a certain importance. However, targeted metal islands To generate the samples must be at an angle to the sputtering wave can be arranged and the sample is strip coated after structuring. This has a rapidly decreasing efficiency in the prior art result.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung diskreter Metallcluster im oberflächennahen Bereich bietet die Ionenimplantation. Mit dieser Methode werden Metallionen in Hochvakuum bei Biasspannungen > 10 KV in die Oberfläche einiger Atomlagen tief implantiert.A further possibility for the generation of discrete metal clusters near the surface provides ion implantation. With this method, metal ions in high vacuum at Biasspannungen> 10 KV in the surface deeply implanted in some atomic layers.
All diese Methoden weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Substrate nicht gleichmäßig in guter Wiederholgenauigkeit beschichtet werden können und dass bei oxidbildenden Oberflächen wie beim Silizium und den meisten Verbindungshalbleitern und auch bei korrosionsschützenden Refraktärmetallverbindungen die Haftung auf diesen Substraten unzureichend ist und sich undefinierte elektrische Übergänge zum Substratmaterial ausbilden. Die oben erwähnte Ionenimplantation hat den weiteren Nachteil, daß Ionen zu tief unterhalb der Oberfläche eingebracht werden und somit der chemisch-konstitutioneller Charakter der entstehenden Oberfläche nicht definiert einstellbar ist.Alles However, these methods have the disadvantage that the substrates not even in good repeatability can be coated and that in oxide-forming surfaces like silicon and most compound semiconductors, too in corrosion-resistant refractory metal compounds the adhesion to these substrates is inadequate and undefined form electrical transitions to the substrate material. The above-mentioned ion implantation has the further disadvantage that ions be introduced to deep below the surface and thus the chemical-constitutional character of the resulting Surface is not defined adjustable.
Erfindungsgemäß werden diese Nachteile mit dem Verfahren nach dem Hauptanspruch behoben. Insbesondere durch Verfahren wie das kathodische Lichtbogenverdampfen oder das Hochspannungs-Pulssputtern lässt sich bedingt durch die hohe Ionisierung des in die Gasphase übergehenden Beschichtungsmaterials das Verhältnis von Schichtauftrag/Implantation zu Substratabtrag gezielt einstellen.According to the invention resolved these disadvantages with the method according to the main claim. In particular by methods such as cathodic arc evaporation or the high-voltage pulse sputtering can be conditionally due to the high ionization of the gas phase Coating material the ratio of coating / implantation Targeted to substrate removal.
Wenn man nun die Metalle aus hochionisierten Metallplasmen unter Anlegung definierter negativer Potentiale am Substrat so appliziert, dass einerseits eine Zerstäubung des Substratmaterials stattfindet und andererseits das Metall sich in der Oberfläche „einmischen" kann und ggf. bei Anforderung in der Folge in einem geschlossenen Metallfilm in einem Prozessschritt ausgebildet wird, folgt eine „Einmischung" entweder aus dem Gleichgewicht von Zerstäubungsrate des Substratmaterials und der Deposition des abzuscheidenden Metalls oder/und durch teilweise Implantation in innere Atomlagen des Substratmaterials. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die kathodische Lichtbogenverdampfung vorteilhafte Aspekte aufweist.If one then applies the metals from highly ionized metal plasmas with the application of defined negative potentials to the substrate so that on the one hand a sputtering of the substrate material takes place and on the other hand the metal can "interfere" in the surface and, if required, subsequently in a closed metal film in is formed in a process step, an "interference" either from the balance of sputtering rate of the substrate material and the deposition of the metal to be deposited or / and by partial implantation into inner atomic layers of the substrate material follows. It has been shown that in particular the cathodic arc evaporation has advantageous aspects.
Ähnlich gute Effekte werden aber auch durch das Hochleistungspuls-Sputtern oder andere Verfahren erzielt, bei denen hohe Metallplasmadichten erzeugt werden können, wie bei induktiv eingekoppelten Plasmen zum Nachionisieren zerstäubter oder mit Precursor verdampfter Metallatome.Similar Good effects are also due to the high-power pulse sputtering or other methods in which high metal plasma densities can be generated, as inductively coupled Plasmas for deionizing atomized or with precursor vaporized metal atoms.
Als Arbeitstitel wird hier für diese hochionisierende Verfahren der Begriff Plasma-Ionen-Mischverfahren verwendet.When Working title is here for this highly ionizing process the term plasma ion mixing method is used.
Vorzugsweise werden die Untersuchungen mit der kathodischen Lichtbogenverdampfung der Edelmetalle aufgrund der Einfachheit des Verfahrens durchgeführt. Ein Nachteil des Verfahrens liegt in der Dropletbildung, die sich aber aufgrund der kurzen Oberflächenmodifikationszeit offensichtlich nicht besonders negativ auswirkt.Preferably become the investigations with the cathodic arc evaporation the precious metals performed due to the simplicity of the process. A disadvantage of the method lies in the droplet formation, which is but obviously due to the short surface modification time does not have a particularly negative effect.
Damit lässt das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den oben genannten anderen Verfahren es zu, dass eine zu modifizierende Substratmatrixoberfläche in situ von Verunreinigung oder störenden passiven Schichten schnell gereinigt wird, also zum Beispiel Silizium schnell von seiner Oxidschicht befreit wird.In order to leaves the inventive method Compared to the other methods mentioned above, that too a substrate matrix surface to be modified in situ of contamination or interfering passive layers quickly is cleaned, for example, silicon quickly from its oxide layer is released.
Weiter ist die Eindringtiefe der Dotiermetalle und ihrer diskontinuierliche Ausdehnung an der Oberfläche durch die angelegte negative Spannung am Substrat vorbestimmbar. Bei Spannungen im Bereich zwischen 200 und 1200 Volt lassen sich die meisten Edelmetalle wie Platin, Iridium, Gold, Ruthenium, Rhodium und Palladium oberflächennah in Substraten wie Silizium oder dergleichen gleichmäßig ohne die Ausbildung von Barrierelayern einlagern. Das gleiche gilt gleichermaßen für andere schwere Nichtmetalle wie Molybdän, Tantal oder Wolfram.Further is the penetration depth of the doping metals and their discontinuous Expansion at the surface by the applied negative Stress predeterminable on the substrate. For voltages in the range between 200 and 1200 volts can be used for most precious metals like platinum, Iridium, gold, ruthenium, rhodium and palladium near the surface in substrates such as silicon or the like uniformly without the training of barrier layers. The same goes for equally for other heavy non-metals like molybdenum, tantalum or tungsten.
Bevorzugt findet dies in den ersten, bevorzugt 5 bis 20 Atomschichten der Substratoberfläche statt, wobei die physikalisch-chemischen Eigenschaften graduell durch Variation der Spannung während des Oberflächenmodifikationsprozesses noch beeinflusst werden können, so dass z. B. kleine Metallinseln mit wenigen Nanometern Ausdehnung bei hohen Bissspannungen bis hin zu geschlossenen Filmen bei geringeren Spannungen wachsen.Prefers finds this in the first, preferably 5 to 20 atomic layers of the Substrate surface instead, where the physico-chemical Properties gradually by varying the voltage during of the surface modification process still influenced can be, so that z. B. small metal islands with few Nanometer expansion at high voltages up to closed Films grow at lower voltages.
Dabei ist die Modifikation der Oberfläche gleichmäßig, d. h., sowohl die lateralen Ausdehnungen und Abstände als auch die Tiefenverteilung sind reproduzierbar einstellbar. Auch wenn die Eindringtiefe auf 10 Atomschichten begrenzt werden soll, ist dies möglich. Weiter ist insbesondere am Beginn des Verfahrens durch hohe angelegte negative Spannungen die Porosität der Substratoberfläche einstellbar, indem über die Reinigung durch Entfernung der Oxidschicht hinaus auch eine Rauigkeit bzw. eine mikroporöse Oberfläche einstellbar erreicht werden kann.there is the modification of the surface evenly, d. h., both the lateral dimensions and distances as The depth distribution can also be adjusted reproducibly. Also if the penetration depth is to be limited to 10 atomic layers, is this possible. Next is especially at the beginning of the process High porosity due to high applied negative voltages the substrate surface adjustable by over the cleaning by removing the oxide layer also a Roughness or a microporous surface adjustable can be achieved.
Trotz des Einsatzes der in anderen Verfahren nur beschränkt beherrschbaren Edelmetallionen lässt sich dieses Verfahren kostengünstig auch in der industriellen Großproduktion umsetzen.In spite of the use of those in other procedures only limited controllable Precious metal ions, this process can be cost-effective also in industrial large-scale production.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele.Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of several preferred embodiments.
[Beispiel 1][Example 1]
Ein Titansubstratkörper wird mit 4 μm (Ti, Nb)O2 beschichtet und dann 10 cm vor einem Iridium-Target positioniert. Das Substrat liegt auf einem Potential von –600 V relativ zum Massenpotential. Das Iridium wird dann mittels kathodischem Lichtbogen bei einem Strom von 60 Ampere verdampft und nach 10 Sekunden wird das Potential am Substratkörper für 5 Sekunden. auf –300 V abgesenkt. Nach schon 15 Sekunden ist der Prozess beendet.A titanium substrate body is coated with 4 μm (Ti, Nb) O 2 and then positioned 10 cm in front of an iridium target. The substrate is at a potential of -600 V relative to the ground potential. The iridium is then evaporated by means of a cathodic arc at a current of 60 amps, and after 10 seconds the potential on the substrate body becomes 5 seconds. lowered to -300V. After 15 seconds the process is finished.
Die Strom/Spannungscharakteristik hat sich im Wesentlichen nicht geändert mit Ausnahme eines deutlich angestiegenen Stroms mit vermehrter Hydroxylradikalbildung, die in situ aromatische Verunreinigungen in Wasser zu oxidieren vermögen.The Current / voltage characteristics has essentially not changed with the exception of a significantly increased electricity with increased Hydroxyl radical formation, the in situ aromatic impurities capable of oxidizing in water.
Die im Beispiel 1 hergestellten Oberflächen zur gezielten Erzeugung von Hydroxylradikalen, Wasserstoffperoxyd und Ozon finden Anwendung bei der Reinigung von Wasser. Dort entsteht unter Normalbedingungen an Platin, Gold, Palladium und in alkalischen Medien an Nickeloberflächen aus thermodynamischen Gründen bevorzugt Sauerstoff. Die Gleichgewichtselektrolysespannung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff liegt ohne Überspannungseffekte bei 1,23 V. In Wasserreinigungssystemen ist jedoch die Erzeugung von Wasserstoffperoxyd, Ozon und besonders von Hydroxylradikalen erwünscht. Mit diesen radikal reagierenden Sauerstoffspezies lassen sich nämlich Bakterien effektiv töten.The in Example 1 produced surfaces for targeted production Hydroxyl radicals, hydrogen peroxide and ozone are used when cleaning water. There arises under normal conditions on platinum, gold, palladium and in alkaline media on nickel surfaces For thermodynamic reasons preferably oxygen. The equilibrium electrolysis voltage for generating hydrogen and oxygen is without overvoltage effects at 1.23 V. In water purification systems, however, is the generation of hydrogen peroxide, ozone and especially of hydroxyl radicals he wishes. With these radically reacting oxygen species you can effectively kill bacteria.
Eine besonders hohe Reaktivität weisen Hydroxylradikale auf, die zudem stabile aromatische Verbindungen unter Aufspaltung des Benzolringes teilweise zu oxidieren vermögen also auch Schadstoffe bei der Wasserreinigung zu ungefährlichen Abbauprodukten aufspalten können. Hydroxylradikale entstehen unter Standardbedingungen erst bei einem Potential von 2,8 V gegen NHE.A particularly high reactivity have hydroxyl radicals, in addition the stable aromatic compounds with splitting of the Partial oxidation of benzene rings is also possible Pollutants in water purification to harmless degradation products can split. Hydroxyl radicals are formed under standard conditions only at a potential of 2.8 V against NHE.
Ohne an dieser Stelle weiter auf die kinetisch mechanistischen Besonderheiten einzugehen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit bestimmten stabilen n-dotierten oxidischen Halbleiterelektroden die Voraussetzung zur Erzeugung der gewünschten Hydroxylradikale deshalb besonders günstig sein, weil sie hohe Überspannungen gegenüber der Sauerstoffbildung aufweisen und in den CV (current-voltage) Kurven erst oberhalb 2,5 V merkliche Bildung von Sauerstoffspezies erkennbar sind.Without at this point further on the kinetisch mechanistic peculiarities to deal with the method of the invention with certain stable n-doped oxide semiconductor electrodes the prerequisite for generating the desired hydroxyl radicals Therefore be particularly favorable because they high overvoltages against oxygenation and into the CV (current-voltage) Curves only above 2.5 V noticeable formation of oxygen species are recognizable.
Allerdings weisen die oxidischen Halbleiterelektroden wie z. B. Titandioxid, Titan-Nioboxid und andere ternäre Mischoxide den Nachteil auf, dass sie schnell unter der hohen anodischen Spannung „passivieren". Passivierung soll an dieser Stelle bedeuten, dass sie im oberflächennahen Bereich ihre n-Dotierung durch Ausheilen verlieren und damit nur noch sehr kleine Ströme fließen. In einem umfangreichen Untersuchungsprogramm wurden die Oberflächen auf unterschiedliche Weise diskontinuierlich mit den Edelmetallen Platin, Gold, Palladium und Iridium erfindungsgemäß modifiziert. Als Beschichtungsmethoden wurden klassische chemisch reduktive Verfahren, wie die Abscheidung der Metalle aus organischen oder anorganischen Komplexen, das Sputterverfahren und das erfindungsgemäße Plasma-Ionen-Mischverfahren (PIM) angewendet. Zum einen wurde bei allen Verfahren festgestellt, dass es sehr wichtig ist einen bestimmten Bedeckungsgrad der Oberfläche mit den Edelmetallen nicht zu überschreiten (zum Beispiel 20 oder 30% je nach Anwendungsfall), um der Oberfläche nicht die elektrochemische Charakteristik desselben Edelmetalls aufzuprägen. Erzeugt man an der Oberfläche diskontinuierliche Inseln z. B. Metallcluster in Nanometergröße mit ebenfalls nanometergroßen Abständen zueinander kann die Grundcharakteristik der Halbleiterelektrode mit kleinen Verschiebungen in der Offsetspannung um wenige Millivolt beibehalten werden.Indeed have the oxide semiconductor electrodes such. For example, titanium dioxide, Titanium niobium oxide and other ternary mixed oxides have the disadvantage on that they "passivate" quickly under the high anodic tension. Passivation should mean at this point that they are near the surface Area lose their n-doping by annealing and thus only still very small currents flow. In a comprehensive investigation program For example, the surfaces became discontinuous in different ways modified according to the invention with the precious metals platinum, gold, palladium and iridium. Coating methods were classical chemical reductive processes, like the deposition of metals from organic or inorganic Complexes, the sputtering process and the invention Plasma-ion mixing method (PIM) applied. For one thing was at All procedures found that it is very important a particular Degree of coverage of the surface with the precious metals not to exceed (for example 20 or 30% depending on the application), around the surface not the electrochemical characteristic imprint of the same precious metal. Produced on the surface discontinuous islands e.g. B. Metal clusters in nanometer size with likewise nanometer-sized distances to each other the basic characteristic of the semiconductor electrode with small Preserve displacements in the offset voltage by a few millivolts become.
Natürlich wurden hierzu zusätzliche Abhängigkeiten von den eingesetzten Edelmetallen gefunden. Insbesondere bei Gold reichen offensichtlich Subnanometer große Cluster an der Oberfläche aus, um die Goldcharakteristik einzustellen. Besonders günstig verhalten sich im Übrigen Iridium und Platin.Naturally additional dependencies on the used precious metals found. Especially with gold range obviously subnanometer large clusters on the surface to set the gold characteristic. Very cheap By the way, iridium and platinum behave.
Das erfindungsgemäße Abscheideverfahren ist hierbei durch zwei besondere Parameter komplex charakterisiert. Alle Verfahren führen in schwefelsaurer Lösung (pH3) zu einer deutlichen Erhöhung der Stromdichten gegenüber nicht modifizierter Oberflächen. Mit dem Plasma-Ionen-Mischverfahren konnte dagegen eine mehr als 20fache Erhöhung der Stromdichte bei Verwendung von Iridium erzielt werden und eine 15fache bei Verwendung von Platin. Die anderen Verfahren lagen zunächst bei einer Erhöhung der Stromdichten um das 5 bis 10fache. Nach mehrmaligem Zyklisieren bis 3 V verloren die im Standardverfahren modifizierten Proben ihre Aktivität während die erfindungsgemäß hergestellten Proben selbst nach 100 maligem Zyklisieren um weniger als 5% abfielen.The Inventive deposition process is hereby characterized by two special parameters complex. All procedures lead in sulfuric acid solution (pH3) to a significant increase in current densities unmodified surfaces. With the plasma ion mixing process On the other hand, it was possible to increase the current density more than 20 times when using iridium and 15 times when using of platinum. The other procedures were initially at a Increase the current densities by 5 to 10 times. After several times Cyclize up to 3 V lost the modified in the standard procedure Samples their activity while the inventively prepared Even after 100 cycles of cyclization, samples dropped less than 5%.
[Beispiel 2][Example 2]
Ein n-Siliziumhalbleiterwafer mit einer Dicke von 400 μm bei einem Widerstand von 0,8 Ohm/cm bis 2 Ohm/cm ist in gleicher Weise wie in Beispiel 1 vor einem Platintarget positioniert. In diesem Fall wird das Silizium zunächst bei einer Spannung von 800 V für 5 Sekunden dotierend gereinigt und im Folgeschritt bei 600 V wird die Reaktion stärker zur Deposition um weitere 8 Sekunden gelenkt und zum Schluss für 6 Sekunden über 300 V behandelt. Es ist hervorzuheben, dass in allen Spannungsschritten gleichzeitig Substratmaterial abgestäubt wird, das Verhältnis von aufgebrachtem Metall zur abgestäubter Oberfläche sich jedoch verschiebt.One n-silicon semiconductor wafer with a thickness of 400 microns at a resistance of 0.8 ohms / cm to 2 ohms / cm is the same positioned in front of a platinum target as in Example 1. In this Case, the silicon is initially at a voltage of 800 V for 5 seconds doping cleaned and in the following step at 600 V, the reaction becomes stronger for deposition by more Steered for 8 seconds and then over for 6 seconds 300 V treated. It should be emphasized that in all voltage increments simultaneously Substrate material is dusted, the ratio from deposited metal to the dusted surface but shifts.
Um
die Leistungsfähigkeit des PIM-Verfahrens zur Herstellung
von diskontinuierlichen Platinnanoinseln auf n-Silizium mit in der
Literatur veröffentlichten herkömmlichen Beschichtungsverfahren
zu vergleichen, wurde nach Maßgabe der Veröffentlichung
von Nakato et. al (
Bei der Erstellung der erfindungsgemäß erzeugten Beschichtung wurden die Proben dagegen frontal zu den Lichtbogentargets gestellt und unter unterschiedlichen Biasspannungen nur wenige Sekunden lang behandelt. Überraschend wiesen alle Proben die bei 600 und 800 V mit Platin behandelt wurden höhere Oberflächenleitfähigkeiten auf als diejenigen, die bei 300 V den Platinionen ausgesetzt wurden.at the preparation of the coating produced according to the invention In contrast, the samples were placed head-on to the arc targets and under different bias voltages for just a few seconds treated. Surprisingly, all samples were at 600 and 800V treated with platinum were higher surface conductivities than those exposed to platinum ions at 300V.
Offensichtlich werden bei den höheren Spannungen – wie nicht anders zu erwarten – von der Oberfläche mehr Siliziumatome zerstäubt, als bei der niedrigen Spannung ohne dass gleichzeitig die deponierten Platinatome wieder im gleichen Maße zerstäubt werden (was so nicht erwartet wurde).Obviously will be at the higher voltages - like not to expect differently - from the surface more silicon atoms atomized, as at low voltage without at the same time the deposited platinum atoms atomized again to the same extent (which was not expected).
Besonders bei den bei 600 bis 800 V hergestellten Proben werden ohne weitere chemische Ätzbehandlung des Siliziums Open Circuit Spannung oberhalb 0,6 V gefunden und die Kurzschlussstromdichten lagen mit 35 mA/cm–2 sogar oberhalb der Werte von Nakato. Die Lösung wurde auf pH3 mit HBr und mit 0,1 M Br2 eingestellt.Particularly for the samples produced at 600 to 800 V, voltages above 0.6 V are found without further chemical etching treatment of the silicon open circuit, and the short-circuit current densities were even above the values of Nakato at 35 mA / cm -2 . The solution was adjusted to pH3 with HBr and with 0.1 M Br. 2
[Beispiel 3][Example 3]
Ein mit 3 μm (Ti0,95Nb0,05)ON beschichtetes Edelstahlblech aus dem Stahl X5CrNi189 wird wie oben beschrieben ca. 12 cm vor einem Iridium Target einer Hochleistungspuls-Magnetronquelle positioniert. Das Blech wird in diesem Bereich von Anfang an mit –300 V relativ zur Masse polarisiert und lediglich für 15 Sekunden mit hochionisierten Iridium behandelt. Hiernach weist das Blech einen Oberflächenwiderstand von nur 5,8 Milliohm/cm auf, liegt damit sogar niedriger als eine 3 μm starke Goldschicht auf dem gleichen Substrat.A stainless steel sheet of steel X5CrNi189 coated with 3 μm (Ti 0.95 Nb 0.05 ) ON is positioned approximately 12 cm in front of an iridium target of a high-power pulse magnetron source as described above. The sheet is polarized in this area from the beginning with -300 V relative to the mass and treated only for 15 seconds with highly ionized iridium. After that, the sheet has a surface resistance of only 5.8 milliohms / cm, even lower than a 3 μm thick gold layer on the same substrate.
Eine solche Oberfläche kann beispielsweise in Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen eingesetzt werden. Die Titan-Nioboxidnitridschicht wies zunächst ca. 6 Atomprozent Sauerstoff auf und wurde zum Korrosionsschutz aber auch zur elektrischen Leitung ca. 1 μm dick beschichtet. Die Oberfläche neigt zur Passivierung unter Verlust der Leitfähigkeit. Durch die beschriebene Modifizierung mit hochenergetischen Iridium Ionen wurde ein Massenverlust von 50 Nanometern der Titan-Nioboxidnitridschicht erreicht. Gleichzeitig erhöht sich die Leitfähigkeit der Schicht mit Iridiumcluster im Subnanobereich um Werte, die größer sind als eine aufgebrachte 3 μm dicke galvanische Goldschicht. Insgesamt ist das Iridium damit gleichzeitig als Abtragsmedium für die leichten Atome der Matrixschicht genutzt worden, wie auch in die Oberfläche heterogen eingemischt.A such surface can be used, for example, in fuel cells or electrolysis cells are used. The titanium-niobium oxide nitride layer initially had about 6 atomic percent oxygen and became the Corrosion protection but also for electrical wiring approx. 1 μm thick coated. The surface tends to passivate Loss of conductivity. By the described modification with high-energy iridium ions was a mass loss of 50 Reached nanometers of titanium niobium oxide nitride layer. simultaneously increases the conductivity of the layer with Iridium clusters in the subnanoid order larger values are as an applied 3 micron thick galvanic gold layer. Overall, the iridium is thus at the same time as a removal medium for the light atoms of the matrix layer have been used as well the surface mixed in heterogeneously.
Die Erfindung gibt also neben einem Verfahren zum Beschichten von Substraten auch eine neuartige Schicht an, deren hohe elektrische Leitfähigkeit für elektrochemischen Anwendungen besondere Einsatzmöglichkeiten bietet.The Thus, in addition to a method for coating substrates also a novel layer whose high electrical conductivity for electrochemical applications special applications offers.
Elektrochemische Untersuchungen mittels Spannungs-Stromkurven zeigen nicht nur die typische Iridiumcharakteristik in einer auf pH1 eingestellten Schwefelsäurelösung sondern überraschenderweise werden bei gleicher Spannung höhere Stromdichten bei Verminderung der Überspannung um fast 100 mV im Vergleich zu einer geschlossenen Iridiumschicht beobachtet.electrochemical Investigations using voltage-current curves not only show the typical iridium characteristic in a sulfuric acid solution adjusted to pH1 but surprisingly, at the same voltage higher current densities with reduced overvoltage by almost 100 mV compared to a closed iridium layer observed.
Offensichtlich findet in der Nachbarschaft zu der Matrixschicht eine heterogene Elektrolyse statt, die die Kinetik zur Bildung von desorbierten O2 Molekülen im Vergleich zu homogenen Oberflächen verbessert.Obviously, heterogeneous electrolysis takes place in the vicinity of the matrix layer, which improves the kinetics for the formation of desorbed O 2 molecules compared to homogeneous surfaces.
In
Hieraus ergaben sich erfindungsgemäß auch neue Möglichkeiten zur Herstellung von Elektroden von Niedertemperatur und Mitteltemperaturbrennstoffzellen durch Einsatz leitfähiger Metalloxidpulver auf Karbid-, Borid- oder Nitridbasis auf deren heterogenen Oberflächendotierung mit diskontinuierlichen Edelmetallfilmen.From this According to the invention, there were also new possibilities for the production of electrodes of low temperature and medium temperature fuel cells by using conductive metal oxide powder on carbide, Boride or nitride based on their heterogeneous surface doping with discontinuous noble metal films.
Die Erfindung schließt ausdrücklich den Ersatz von Iridium durch andere Edelmetalle insbesondere aus der Gruppe Platin, Gold, Ruthenium, Rhodium und Palladium oder der Metalle Wolfram und Molybdän ein.The Invention expressly excludes the replacement of Iridium by other precious metals, in particular from the group platinum, Gold, ruthenium, rhodium and palladium or the metals tungsten and molybdenum.
Erfindungsgemäß erfolgt gleichzeitig eine in-situ Reinigung, Strukturierung und Ablagerung von Clustern von Dotieratomen zur Schaffung photovoltaisch, photo-elektrochemisch und/oder elektrokatalytisch aktiver Oberflächen die Schritte des Abtragens und der Deposition mit einem Verfahren aus der Gruppe: gepulstes Hochleistungssputtern, kathodische Bogenentladungsverdampfung und induktiv eingekoppelter Plasma-Abscheidung erfolgen, wobei eine hohe Metallionendichte von mehr als 70% geladener Ionen im Hochvakuumplasma vorliegt.According to the invention at the same time an in-situ cleaning, structuring and deposition of clusters of dopant atoms to create photovoltaic, photo-electrochemical and / or electrocatalytically active surfaces, the steps the removal and the deposition by a method from the group: pulsed high-power sputtering, cathodic arc discharge evaporation and inductively coupled plasma deposition take place, wherein a high metal ion density of more than 70% charged ions in high vacuum plasma is present.
Eine Applikation von Metallionen aus hochionisierten Metallplasmen unter Anlegung definierter negativer Potentiale am Substrat erfolgt dergestalt, dass gleichzeitig eine Zerstäubung des Substratmaterials stattfindet und das Metall sich in der Oberfläche zwischen 1 und 5 Atomlagen tief eindringen kann. In der Folge wird ein geschlossener Metallfilm ausgebildet aus dem Gleichgewicht von Zerstäubungsrate des Substratmaterials und der Deposition des abzuscheidenden Metalls oder durch Verfahren, die dem Nachionisieren zerstäubter oder verdampfter Metallatome dienen. Tatsächlich werden die „Dotieratome" auch in größeren Tiefen der Substartoberfläche gefunden was sich durch die schnelle Zerstäubung der Substartatome bei gleichzeitiger Aufrauhung der Oberfläche erklärt.A Application of metal ions from highly ionized metal plasmas under Application of defined negative potentials on the substrate takes place in such a way that simultaneously a sputtering of the substrate material takes place and the metal is in the surface between 1 and 5 Atomic layers can penetrate deeply. As a result, a closed Metal film formed from the balance of sputtering rate of the substrate material and the deposition of the metal to be deposited or by processes more atomized after deionization or vaporized metal atoms serve. Actually the "doping atoms" even at greater depths the surface of the substrate was found to be fast Atomization of the Substartatome with simultaneous roughening explained the surface.
Nachdem am Beginn des Verfahrens durch hohe angelegte negative Spannungen die Porosität der Substratoberfläche einstellt wurde läßt sich besonders vorteilhaft über die Reinigung durch Entfernung der Oxidschicht hinaus auch eine Rauhigkeit bzw. eine mikroporöse Oberfläche einstellbar erreichen, z. B. eine Rauigkeit der Oberfläche im Bereich von 1–50 Atomlagen, um Ionen „in die Oberfläche einsenken" zu können.After this at the beginning of the process by high applied negative voltages adjusts the porosity of the substrate surface has been particularly advantageous over the cleaning by removing the oxide layer also a Roughness or a microporous surface adjustable reach, z. B. a roughness of the surface in the range of 1-50 atomic layers to "sink" ions into the surface to be able to.
Weiter können Metallionen in definierter Eindringtiefe durch eine angelegte negative Bias-Spannung am Substrat zwischen 300 und 2000 V in die oberflächennahen Atomlagen lokal gleichmäßig ohne die Ausbildung von Barrierelayern in hoher Reproduzierbarkeit in den ersten 5–20 Atomschichten der Substratoberfläche eingelagert werden, was für die Erzeugung von Hydroxlradikalen durch die so gebildeten Oberflächen interessant ist.Furthermore, metal ions in a defined depth of penetration can be uniformly localized by an applied negative bias voltage on the substrate between 300 and 2000 V in the near-surface atomic layers without the formation of barrier layers in high reproducibility in the first 5-20 atom layers of the substrate surface are embedded, which is interesting for the production of Hydroxlradikale by the surfaces thus formed.
Durch ein Vergrössern der Pulslängen in den Bereich mehrerer Millisekunden beim Hochleistungs Puls-Sputtern kann erfindungsgemäß die Textur der Oberfläche in gewünschter Weise vergrößert werden.By an enlargement of the pulse lengths in the range several milliseconds in high-power pulse sputtering can according to the invention Texture of the surface in the desired manner enlarged become.
Die so mögliche Schaffung auch elektrisch leitfähiger, korrosionsbeständiger Oberflächen für Bipolarplatten, kann dann durch Clustern von wenigstens vier Metallio nen eingebettet in den oberen 5–20 Atomlagen vervollständigt werden. Schließlich wird vorgeschlagen, eine dünne Schicht von weniger als 1 μm Titan-Nioboxinitrid, die zuvor aufgebracht wurde und mit kurzzeitigem Hochleistungssputtern mit einer Dauer von nur 5–25 s unter einer Biasspannung von 300–1000 V teilweise wieder unter Eindotierung von Metallionen tiefer in das Substrat abgetragen wurde. Elektroden von Niedertemperatur und Mitteltemperaturbrennstoffzellen können zudem durch Schaffung leitfähiger Metalloxidpulver auf Karbid-, Borid- oder Nitridbasis erzeugt werden, indem auf deren heterogenen Oberflächen wie beschrieben quantisierte oder diskontinuierliche Edelmetallfilme erzeugt werden.The so possible creation also electrically conductive, corrosion resistant surfaces for Bipolar plates, can then by clusters of at least four Metallio NEN completed in the upper 5-20 atomic layers completed become. Finally, it is proposed a thin Layer of less than 1 micron titanium niobium oxynitride previously was applied and with short-term high-performance sputtering with a duration of only 5-25 s under a bias voltage of 300-1000 V partially again with the inclusion of metal ions deeper in the substrate was removed. Electrodes of low temperature and Medium temperature fuel cells can also be more conductive by creating Carbide, boride or nitride-based metal oxide powders are produced, on their heterogeneous surfaces as described quantized or discontinuous noble metal films are produced.
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- - Journal of PhysChem 92, (8) 1988, 2316 [0033] - Journal of Phys Chem 92, (8) 1988, 2316 [0033]
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