Dokument: Untersuchungen zur Nanomodifizierung von Oberflächen und Strukturen durch elektrochemische Abscheidung von Gold und Polyanilin
| Titel: | Untersuchungen zur Nanomodifizierung von Oberflächen und Strukturen durch elektrochemische Abscheidung von Gold und Polyanilin | |||||||
| Weiterer Titel: | Studies of Nanoscale Modification of Surfaces and Structures by Electrochemical Deposition of Gold and Polyaniline | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=6791 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20080125-100606-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Komsiyska, Lidiya [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Staikov, Georgi [Gutachter] Prof. Dr. Seidel, Claus A. M. [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | electrochemical deposition, gold, polyaniline, nucleation, nanoparticles, nanogaps, nanojunctions | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren die Aufklärung des Mechanismes und der Kinetik der elektrochemischen Abscheidung von Gold und Polyanilin (PANI) in ausgewählten elektrochemischen Systemen und die Entwicklung geeigneter experimentellen Routinen für eine potentialkontrollierte Nanomodifizierung von Oberflächen und Strukturen mit Hilfe dieser Prozesse. Die Kinetik der elektrochemischen Keimbildung und des Wachstums von Au Nanopartikeln auf Glaskohlenstoff (GC) wurde erstmals in den Systemen GC/1mM KAuCl4+0.1M HClO4 und GC/5mM HAuCl4+42mM Na2S2O3+42mM Na2SO3 untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass in beiden Systemen die elektrochemische Goldabscheidung diffusionskontrolliert ist und nach dem so genannten Volmer-Weber-Wachstumsmechanismus durch Bildung und Wachstum von 3D Au-Inseln auf einem unmodifizierten GC-Substrat erfolgt. Die Analyse der Stromtransienten, die während der elektrochemischen Goldabscheidung im System GC/1mM KAuCl4+0.1M HClO4 bei relativ niedrigen kathodischen Potentialen gemessen wurden, zeigt, dass die Anfangsabscheidungskinetik einem Modell mit progressiver Keimbildung und diffusionskontrolliertem 3D Wachstum der Au-Nanopartikeln entspricht. Die Potentialabhängigkeit der aus der experimentellen Stromtransienten bestimmten Keimbildungsgeschwindigkeit ist in gute Übereinstimmung mit der atomistischen Theorie der elektrochemischen Keimbildung. Die Ergebnisse zeigen, dass bei genügend hohen kathodischen Potentialen die Keimbildungsrate stark zunimmt und die Nukleation von progressiv zu instantan wechselt. Auf der Basis dieses Verhaltens wurde eine Doppelpulsroutine vorgeschlagen, die eine kontrollierte Abscheidung von Au-Nanopartikeln mit einer schmalen Größenverteilung erlaubt. Der elektrochemische Abscheidungsmechanismus von dünnen PANI Schichten auf p-Si(111) und Au(111) wurde mit der Hilfe von potentiostatischen Transientenmessungen, zyklische Voltammetrie, elektrochemische Impedanz Spektroskopie, REM und AFM studiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Bildungsmechanismus, die Struktur und das elektrochemische Verhalten der Polymerschichten von der Natur und der elektronischen Eigenschaften des Substrates stark abhängig sind. Die Kinetik der Anfangsstadien der elektrochemischen Abscheidung von PANI auf Au(111) entspricht einem Model für progressive Bildung und kinetisch kontrollierten 2D Wachstum von PANI-Inseln. Auf p-Si(111) ist die elektrochemische Abscheidung von PANI stark inhibiert wegen der anwesenden anodischen SiO2 Schicht, die inhomogen ist und zur progressiven Bildung und zum kinetisch kontrollierten 3D Wachstum von PANI-Inseln führt. Die elektrochemische Abscheidung von Au aus dem thiosufate-sulfitischen Elektrolyt wurde zur Modifizierung von Goldelektroden und zur Erstellung von Nanogaps und Nanokontakte verwendet. Die Erzeugung von Nanogaps und Nanokontakten wurde auf planaren entgegenstehenden lithographisch präparierten Au-Mikroelektroden durchgeführt. Eine zweistufige Routine wurde für die Nanomodifizierung der Mikrogaps entwickelt, die eine präzise Kontrolle des Elektrodenabstand und der Bildung verschiedener Nanokontakte durch gleichzeitige Messung des Leitfähigkeitsstromes zwischen den beiden Elektroden erlaubt. Die experimentellen Leitfähigkeitsstromtransienten weisen eine charakteristische stufenartige Erhöhung des Stromes während der Kontaktbildung vor. Durch die Kontrolle des zunehmenden Tunnelstromes während der elektrochemischen Abscheidung konnten stabile Au-Nanogaps mit verschiedenen Breiten erfolgreich erzeugt werden. Die Überbrückung der hergestellten Au-Nanogaps durch elektrochemische Abscheidung von PANI wurde unter Anwendung verschiedener Abscheidungstechniken studiert. Das Leitfähigkeitsverhalten von zahlreichen PANI Brücken wurde mit zyklischer Voltammetrie und Transientenmessungen in dem Potentialbereich des „on-off“ Umschaltens zwischen dem leitfähigen Emeraldin- und dem isolierenden Leukoemeraldin- Zustand untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die potentiostatische Abscheidungstechnik optimale Bedingungen für eine kontrollierte Abscheidung von Au-PANI-Au Nanobrücken bestehend nur aus einigen Polymerfäden anbietet.The aims of the present work were the clarification of the mechanism and kinetics of electrodeposition of gold and polyaniline (PANI) in selected electrochemical systems and the development of appropriate experimental routines for a potential controlled nanoscale modification of surfaces and structures by these processes. The kinetics of electrochemical nucleation and growth of Au nanoparticles on glassy carbon (GC) were investigated for the first time in the systems GC/1mM KAuCl4+0.1M HClO4 and GC/5mM HAuCl4+42mM Na2S2O3+42mM Na2SO3. The experimental results show that in both systems the gold electrodeposition is diffusion-controlled and follows the so-called Volmer-Weber growth mechanism involving formation and growth of 3D Au islands on an unmodified GC substrate. The analysis of current transients for Au electrodeposition in the system GC/1mM KAuCl4+0.1M HClO4 at relatively low cathodic potentials reveals that the initial deposition kinetics corresponds to a model including progressive nucleation and diffusion-controlled 3D growth of Au nanoparticles. The potential dependence of the nucleation rate extracted from the experimental current transients is in good agreement with the atomistic theory of electrochemical nucleation. The results show that at sufficiently high cathodic potentials the nucleation rate in this system becomes very high and the nucleation changes from progressive to instantaneous. Based on this behaviour was proposed a potentiostatic double-pulse routine allowing a controlled deposition of Au nanoparticles with a narrow size distribution. The mechanism of electrodeposition and the properties of thin PANI films on p-Si(111) and Au(111) single crystal substrates were studied by means of potentiostatic transient measurements, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, SEM and AFM. The results show that the mechanism of formation, the structure and the electrochemical behaviour of the electrodeposited PANI films depend strongly on the nature and the electronic properties of the substrate. The kinetics of initial stages of PANI electrodeposition on Au(111) correspond to a model including a progressive appearance and kinetically controlled 2D growth of polymer islands. The electrodeposition of PANI on p-Si(111) is strongly inhibited due to the formation of an anodic SiO2 film, which is inhomogeneous and leads to a deposition mechanism involving progressive appearance and growth of 3D PANI islands. The electrodeposition of gold from the thiosufate-sulfite electrolyte was also used for surface modification of gold electrodes and preparation of nanogaps and nanocontacts. The experiments on preparation of nanogaps and nanocontacts were performed on pairs of planar opposite Au microelectrodes fabricated on silicon chips by conventional optical lithography. For the nanoscale modification of the initial microgaps was developed a two-step deposition procedure allowing a precise control of the electrode separation and the formation of various nanocontacts by monitoring the changes of the conductance current flowing between the two Au microelectrodes. The experimental conductance current transients exhibit the characteristic stepwise increase due to the formation of nanocontacts. By monitoring of the tunnelling current increase during the electrodeposition process were successfully prepared stable Au nanogaps with different gap widths. The bridging of electrochemically fabricated Au nanogaps by electrodeposition of PANI was studied applying different deposition techniques. The conductance behaviour of various PANI bridges was characterized by cyclic voltammetry and transient measurements in the potential range of the “on-off” switching between the conducting emeraldine and the insulating Leukoemeraldine states of PANI. The experimental results show that the potentiostatic deposition technique offers optimal conditions for preparation of Au-PANI-Au nanojunctions consisting of only several polymer strands. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 22.01.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 22.01.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 10.10.2007 | |||||||
| Datum der Promotion: | 10.01.2008 |
