Abscheidetechniken

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallbeschichtung von Nanopartikeln mittels stromloser Abscheidetechnik zur Verwendung in Metall-Matrix Kompositen

Allen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung metallbeschichteter Substrate ist gemein, dass eine homogene Metallbeschichtung nur für makroskopische Substrate und Strukturen mit einer Größe ab etwa 1-10 pm möglich ist. Die Aktivierung der Substrate erfolgt dabei meist mit einer Sensibilisierung der Oberfläche mittels Edelmetallnanopartikeln, bevorzugt mittels Pt, welche als Katalysatoren für die stromlose Metallabscheidung benötigt werden (S. S. Djokic, Modern Aspects of Electrochemistry 2002, 35, S. 51 , D. Zabetakis, W. J. Dressick, Applied Materials & Interfaces 2009, 1(1), S. 4).

Für nanopartikuläre Substrate eignet sich eine Aktivierung mit Edelmetallnanopartikeln nicht, oder nur unter extrem großen Materialaufwand. Für die stromlose Abscheidung nach etablierten Methoden werden metallische Katalysatoren benötigt. Da für den metallischen Charakter und die damit einhergehende katalytische Aktivität eine gewisse Größe gegeben sei n m uss , kan n d i e Ed el metal l-Bekeimung nicht mit beliebig kleinen Partikeln vorgenommen werden. Eine Aktivierung von nanopartikulären Substraten erfolgt somit bei geringem Edelmetallaufwand immer inhomogen, weil nicht alle Substratpartikel im gleichen Maße aktiviert werden können. Bei hoher Edelmetallbeladung hingegen steigen die Herstellungskosten um ein Vielfaches.

Y. Lu (Applied Surface Science 2009, 255, S. 8430) beschreibt die stromlose Kupferabscheidung auf 3-Mercaptopropyltriethoxysilan-funktionalisierten Polyethylentere- phthalat (PET). Hierbei wird in einem zweistufigen Prozess zunächst 3-Aminopropylmethoxysilan an der Oberfläche des Polymersubstratsaufgebracht und d u rch E rh itze n ei ne S i l i katsch i cht erzeu gt. A uf de r S i l i katsch i cht wi rd da n n 3-Mercaptopropyltriethoxysilan angebunden und erneut erhitzt. Die Kupferabscheidung erfolgt im Anschluss in einem Beschichtungsbad basierend auf Kupferchlorid, Borsäure und EDTA mit Dimethylaminoboran als Reduktionsmittel bei 60 °C für 4 Stunden.

Nachteilig ist das von Y. Lu das als Reduktionsmittel, verwendete Dimethylaminoboran sehr teurer und außerdem luftempfindlich ist, sodass es unter Schutzgas aufbewahrt werden muss. J. Samuel et al. (Mater. Res Soc. Symp. Proc. 1207: 103-108) beschreiben ein Verfahren zur Herstellung von Metallclustern auf Si0 ₂ -Nanopartikeln durch Autoreduktion. Die Metallclusterabscheidung fand nur statt, wenn die Si0 ₂ -Nanopartikel sowohl mit Aminogruppen und Thiolgruppen modifiziert war.

US 2002/0132045 A1 und US 2003/0164064 A1 offenbaren Verfahren zur Herstellung ei ner M etal l-Nanohülle auf speziell funktionalisierten Si0 ₂ -Nanopartikel n . U S 2003/01 18657 offenbart die Verwendung von derart funktionalisierten Nanopartikeln zur Reduzierung oder Verhinderung der Neubildung von Blutgefäßen (Vaskularisierung). EP 1936 378 A1 offenbart mehrschichtige Nanopartikel mit einem magnetischen Kern, den ei ne Si0 ₂ -Schicht umgibt, welche wiederum durch eine Goldschicht und ggf. zusätzliche Metallschichten umgeben ist. Als äußere Schicht sind auf den Nanopartikel Biosensormoleküle (wie z. B. Aptamere) immobilisiert. Die Herstellung der Metallschicht erfolgt in den Schriften jewei ls in dem die Si l ikat-Oberfläche zunächst mit einem Aminosilan-Linker funktionalisiert wird und anschließend Gold-Kolloidpartikel gebunden werden. An die so modifizierte Oberfläche können anschließend andere Metalle reduktiv abgeschieden werden.

Homogene Metallabscheidungen von Nickel und Kupfer auf Nanopartikeln sind bisher nicht bekannt.

Metall-Matrix-Komposite enthalten eine zusammenhängende Metallmatrix mit einer diskontinuierlichen keramischen oder organischen Verstärkung in ihrem Inneren und verbinden die Eigenschaften von Metallen, wie z. B. Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Bearbeitbarkeit mit denen von Keramiken wie z. B. Steifigkeit, Festigkeit und geringe Wärmeausdehnung. Ihre herausragenden und maßgeschneiderten Eigenschaftskombinationen machen Metallmatrix-Komposite zu vielseitig einsetzbaren Werkstoffen, welche beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Halbleiterindustrie und in der Medizintechnik zum Einsatz kommen. Für die Anwendung der metallbeschichteten Nanopartikel als Füllstoffe in Metall-Matrix-Kompositen ist eine homogene Metallbeschichtung der Nanopartikel essentiell, um deren Einbringung in die Metallmatrix zu erleichtern. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches, vielseitiges und möglichst kostengünstiges Verfahren zur homogenen Metallbeschichtung von Nanopartikeln zur Verfügung zu stellen. Der Prozess soll dabei auf die Verwendung teurer Edelmetallsalze und Reduktionsmittel verzichten und in Wasser als Lösungsmittel und möglichst bei niedrigen Temperaturen durchführbar sein. Die homogen metallbeschichteten Nanopartikel sollen sich insbesondere für die Verwendung als Füllstoffe in Metall- Matrix Kompositen eignen, wobei die abgeschiedene Metallschicht als Dispersionsvermittler zwischen nichtmetallischen Nanopartikeln und M etall matrix genutzt werden kann , wodurch die Herstellung solcher Komposite vereinfacht werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst du rch ei n Verfahren zur H erstel l u ng metallbeschichteter Nanopartikel bei dem man, a) die Oberfläche der Nanopartikel thiolfunktionalisiert,

b) anschließend die Nanopartikel mit einer wässrigen Metallsalzlösung in Kontakt bringt und

c) dann durch Zugabe eines Reduktionsmittels die Metallsalzlösung reduziert, wodurch es zu einer Metallabscheidung auf den Nanopartikeln kommt.

Durch eine Thiolfunktionalisierung der Substratoberfläche wird eine gerichtete Metallabscheidung auf den Nanopartikeln begünstigt.

Die Erfindung stellt damit ein Verfahren zur Verfügung, mit dessen Hilfe ein günstigerer Metallisierungsprozess verglichen mit der konventionellen Edelmetallaktivierung ermöglicht wird. Die Einbringung metallisierter Nanopartikel in Metalle sollte gegenüber unfunktionalisierten Partikeln, bei welchen Agglomeratbildung auftritt, erleichtert sein, was die Herstellungskosten von Metall-Matrix Kompositen deutlich verringert.

Bevorzugt werden Nanopartikel aus anorganischen Verbindungen verwendet. Vorzugsweise sind d ie Nanopartikel aus Keramiken, besonders bevorzugt aus Hartkeramiken, ganz besonders bevorzugt aus oxidischen Partikeln, Karbiden und Kohlenstoffpartikeln, noch mehr bevorzugt aus Si0 ₂ , Al ₂ 0 ₃ , SiC, Rußen, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene, Graphene (auch in aufgerollter Form) und C-beschichteten Partikeln. Der Begriff Nanopartikel umfasst sowohl annähernd kugelförmige oder sphärische Partikel als auch sogenannte Nanotubes oder Whiskers. Die Abmessungen der Nanopartikeln liegen in mindestens zwei Dimensionen unter 100 nm, bevorzugt im Bereich 20 bis 50 nm. Bevorzugt liegt der Durchmesser der annähernd kugelförmige oder sphärische Partikel unter 100 nm, bevorzugt im Bereich 20 bis 50 nm. Die für die Abscheidung verwendeten Metallsalze sind bevorzugt ausgewählt aus Ni- und Cu- Salzen, sowie Salzen von Metallen aus den Gruppen 5, 6, 7, 8, 9, 12 , 1 3, 14, 1 5 des Periodensystems der Elemente (PSE) sowie Mischungen dieser Metalle. Bevorzugt sind die Metalle ausgewählt aus V, Mo, Mn, W, Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Cu, Fe und AI sowie die Mischungen Cu/Zn, Cu/Fe, Cu/Al, Sn/Cu, Ni/Fe, Cu/Cd, Pb/Sn, Ni/V, Ni/Mo, Ni/W, Ni/Mn, Ni/Zn, Co/V, Co/Mo, Co/W, Co/Mn, Co/Fe, Co/Zn, Co/V, Cu/Mo, Cu/W und Cu/Mn, besonders bevorzugt sind Cu und Ni. Auch binäre, ternäre und quaternäre Gemische dieser Metalle sind umfasst.

Die Synthese der metallbeschichteten Nanopartikel erfolgt durch Reduktion eines Metallsalzes oder mehrer Metallsalze und anschließender Abscheidung des Metalls oder der Metalle auf der thiolfunktionalisierten Oberfläche der Nanopartikel. Bevorzugte Reduktionsmittel sind ausgewählt aus Hydrazin, Hydriden und Wasserstoff (bevorzugt elementarer Wasserstoff). Zur Reduktion werden vorzugsweise Reduktionsmittel mit einem Redoxpotential von -1 ,57 bis -1 , 1 1 , bei Cu vorzugsweise mit einem Redoxpotential von -1 ,20 bis -1 ,10, besonders bevorzugt Hydrazin, bei Ni, Co, Cr, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Cu, Fe, AI oder Mischungen dieser vorzugsweise mit einem Redoxpotential von -1 ,57 bis -1 ,24, besonders bevorzugt Natriumborhydrid oder eine Mischung von Natriumborhydrid mit einem Reduktionsmittel mit einem Redoxpotential von -1 ,57 bis -1 , 1 1 verwendet. Da alle verwendeten Reduktionsmittel luftstabil sind muss vorteilhaft im erfindungsgemäßen verfahren in Schritt c) nicht unter Schutzgasatmosphäre gearbeitet werden. Besonders bevorzugte Reduktionsmittel sind Natriumborhydrid (NaBH ₄ ), sowie Mischungen von NaBH ₄ mit Formaldehyd, Hydrazin, Acetaldehyd und/oder Natriumhypophosphit.

Durch Zugabe des Reduktionsmittels wird vorzugsweise mehr als 90% der Metallsalzlösung, besonders bevorzugt mehr als 99% der Metallsalzlösung, ganz besonders bevorzugt die gesamte Metallsalzlösung reduziert. Die Schichtdicke der Metallbeschichtung ist hierbei variabel und abhängig von der Menge und Konzentration der eingesetzten Metallsalzlösung.

Bevorzugt werden, insbesondere bei oxidischen Partikeln, Karbiden und anderen keramischen Partikeln vor Verfahrensschritt a) Hydroxidgruppen auf der Oberfläche der Nanopartikel generiert, vorzugsweise durch Behandlung mit Säuren, insbesondere Mineralsäuren, bevorzugt ausgewählt aus H ₂ S0 ₄ , HN0 ₃ , HCl, HBr, HF und Hl oder Basen, bevorzugt ausgewählt aus KOH und NaOH.

Die Thiolfunktionalisierung in Verfahrensschritt a) erfolgt insbesondere bei oxidischen Partikeln (wie Si0 ₂ , Al ₂ 0 ₃ ), Karbiden (wie SiC) und anderen keramischen Partikeln durch (mindestens) ein M ercaptoorganylsilan, bei Kohlenstoffpartikel n (Ruße, Kohlenstoffnanoröhren, C- beschichtete Partikel, Graphene, Nanodiamanten etc.) durch (mindestens) ein Dithiol, Phosphorpentasulfid oder Mercaptoorganylsilan. Bevorzugt wird als Mercaptoorganylsilan ein Mercaptoalkoxysilan oder ein Mercaptoaryloxysilan gewählt. Vortei lhaft kann hier die Thiolfunktionalisierung bei Temperaturen vo n 0 bis 100°C oder auch Raumtemperatur durchgeführt werden.

Alternativ erfolgt die Thiolfunktionalisierung in Verfahrensschritt a) bei Kohlenstoffpartikeln mit H ₂ S oder CS ₂ bei erhöhten Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen über 100°C, in der Gasphase. Vortei lhaft ist in letzterem Fall keine Vorbehandlung zur Erzeugung von Hydroxidgruppen mit Mineralsäuren oder Laugen notwendig.

Das Mercaptoorganylsilan hat bevorzugt die allgemeine Formel (HS-R ^a ) _n Si(0-R ^b ) _m mit m = 4 - n und n = 1 bis 3, bevorzugt 1 oder 2. Die einzelnen Reste R ^a sind unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkdiyl und Ardiyl (zweiwertigen Alkyl- bzw. Aryl-Resten) bevorzugt mit jeweils 1 bis 7, bevorzugt 2 bis 5 C-Atomen, besonders bevorzugt -CH ₂ -CH ₂ -, -CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ - und -CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -, ganz besonders bevorzugt -CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -. Die einzelnen Reste R ^b sind unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl und Aryl bevorzugt mit jeweils 1 bis 7, bevorzugt 1 bis 4 C-Atomen, besonders bevorzugt -CH ₃ , -CH ₂ -CH ₃ und -CH ₂ -CH ₂ -CH ₃ .

Verfahrensschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei Temperaturen von 0 bis 80°C, vorzugsweise bei 0 bis 30°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 25°C. Die Temperatur hat maßgeblichen Einfluss auf die Abscheidegeschwindigkeit des Metalls bzw. der Metalle auf der Oberfläche der Nanopartikel. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bereits eine Metallabscheidung auf der Oberfläche der Nanopartikel bei 0°C. Weiter vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Raumtemperatur durchgeführt werden.

Das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren ermöglicht eine preisgünstige Herstellung von äußerst homogen metallbeschichteten Nanopartikeln. Durch Zugabe eines Komplexbildners in Verfahrensschritt b), vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure), Glucansäure, Tartrat, Glycolsäure, Citrat, Succinat, Ethylendiamin oder Saccharose, kann das Ergebnis der Metallbeschichtung bezüglich ihrer Homogenität deutlich gesteigert und die Hydroxidbildung, besonders bei Hydrazin, gesenkt werden. Die Metallbeschichtung funktioniert jedoch grundsätzlich auch ohne Zugabe eine Komplexbildners in Verfahrensschritt b).

Die erfindungsgemäßen metallbeschichteten Nanopartikel eignen sich aufgrund der verbesserten Benetzung der Nanopartikel mit Metall besonders als Füllstoffe in Metall-Matrix- Kompositen.

Die Thiolfunktionalisierung kann je nach Partikelart auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen wie in folgender Tabelle gezeigt ist: Substratsystem Vorbehandlung Thiolfunktionalisierung

Oxidische Partikel (Si0 ₂ , Al ₂ 0 ₃ Mineralsäuren (Generierung von Mercaptoorganylsilan etc.) Oberflächen-OH-Gruppen)

Karbide und andere Passive Oxidation (Generierung Mercaptoorganylsilan keramische Partikel (SiC etc.) einer oberfl. Oxidschicht),

Mineralsäuren (s.o.)

Kohlenstoffpartikel (Ruße, Mineralsäuren (s.o.) Dithiole, Phosphorpentasulfid Kohlenstoffnanoröhren, C- ( P4S10) ,

beschichtete Partikel etc.) Mercaptoorganylsilan

Basen (KOH, NaOH) H ₂ S oder CS ₂ bei erhöhten

Temperaturen in der Gasphase

Keine Vorbehandlung nötig H ₂ S oder CS ₂ bei erhöhten

Temperaturen in der Gasphase

Die Metallbeschichhtung der thiolfunktionalisierten Partikel erfolgt in wässrigen Beschichtungsbädern bevorzugt mit folgender grundlegender Zusammensetzung:

Beschichtungsmetall Reduktionsmittel Stabilisator Temperatur

Cu Hydrazin (N ₂ H ₄ ) EDTA, Gluconsäure, 0-80 °C

Tartrat, Glycolsäure,

Citrat, Succinat oder

Saccharose,

Ni, Co, Cr, Sn, Pb, Natriumborhydrid EDTA, Citrat, Tartrat 0-80 °C

Sb, Bi, Cu/Zn, Cu/Fe, (NaBH ₄ ), NaBH ₄ + oder Ethylendiamin

Cu/Al, Sn/Cu, Ni/Fe Formaldehyd,

NaBH ₄ + Hydrazin,

NaBH ₄ + Acetaldehyd,

NaBH ₄ +

Natriumhypophosphit Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden ohne die Erfindung auf diese zu Beschränken.

1) Thiolbeschichtung von Si0 ₂ (Analog für Al ₂ 0 ₃ und andere Oxide)

5g Si0 ₂ -Nanopartikel werden in 800 ml Wasser dispergiert. Je nach spezifischer Oberfläche (Abhäng ig von G röße der ei ngesetzten Parti kel) werden 1 00 bi s 1 000 μ I M PTES (Mercaptopropyltriethoxysilan) je 100 m ² Partikeloberfläche in wenig Ethanol gelöst und zur Dispersion gegeben. Die Mischung wird einige Stunden unter Rückfluss gekocht und die erhaltene Dispersion für die Metallbeschichtung aufbewahrt.

2) Kupferbeschichtung:

In 1 L einer wässrigen Dispersion thiolfunktionalisierter Si0 ₂ -Nanopartikel (-0, 1 Mol/L) werden 0, 1 Mol CuS0 ₄ -5H ₂ 0 und 0,025 Mol EDTA g e l öst. 1 M ol H yd razi n (z. B. 80%ige Hydrazinlösung) werden bei Raumtemperatur mit einem mal hinzugegeben. Erhalten wird eine schwarze Dispersion. Die Partikel werden durch Zentrifugation abgetrennt und unter Schutzgas (N ₂ oder Ar) oder unter Vakuum getrocknet. (Analog für alle folgenden metallbeschichteten Partikel)

10 g AI ₂ 0 ₃ -Nanopartikel (thiolfunktionalisiert mit 0,52 g MPTES) + 40g CuS0 ₄ -5H ₂ 0 (~10g Cu) + 29,77g EDTA werden in 3L Wasser mit ca. 100 ml Hydrazin-Lösung (80%ig) versetzt und auf 25 bis 90 °C getempert (Zugabe bei Raumtemperatur, danach Erhöhung auf 90°C).

3) Nickelbeschichtung:

0,5 Moläquivalente thiolfunktionalisierte Si0 ₂ -Nanopartikel und 1 Moläquivalent NiCI ₂ werden in Wasser mit 0,25-0,5 Moläquivalenten. NaBH ₄ (vorher in wenig Wasser gelöst) versetzt. Anschließend (je nach Stoffmenge/Reaktionsvolumen nach etwa 2 bis 25 Minuten) wird die Lösung mit KOH auf einen pH von 9 bis 14 eingestellt und für die weitere Abscheidung 2,5 bis 10 Moläquivalente Hydrazin zugegeben.

3 g AI ₂ 0 ₃ -Nanopartikel (thiolfunktionalisiert mit MPTES), 13,97 g NiCI ₂ -6H20 werden in 1 L Wasser gelöst und anschließend werden bei Raumtemperatur 4,62 g NaBH ₄ (gelöst in wenig Wasser) zugegeben.

4) Beschichtung mit anderen Metallen:

5 g Si0 ₂ -Nanopartikel (thiolfunktionalisiert mit MPTES) + Metallsalz (jeweils 5 g Metallgehalt) werden in 2L Wasser gelöst und anschließend werden bei Raumtemperatur 13 g NaBH ₄ (gelöst in wenig Wasser) zugegeben. Metallsalze, Massen und pH-Wert bei Abscheidung:

BiCI ₃ 7,25 g pH=5 (eingestellt mit HCl)

SbCI ₃ 9 g ph=5 (eingestellt mit HCl

SnCI ₂ 9 g pH=5 (eingestellt mit HCl)

CuS0 ₄ 5 H ₂ 0 +ZnCI ₂ 9 g Keine pH-Einstellung

5 g

CuS0 ₄ -5 H ₂ 0 +AICI ₃ 9 g Keine pH-Einstellung

1 1 ,4 g

CuS0 ₄ -5 H ₂ 0 +SnCI ₂ 9 g Keine pH-Einstellung

4,5 g

Die erfolgreiche Beschichtung wird zunächst optisch hinsichtlich der Homogenität der erhaltenen Pulver beurteilt, bspw. werden aus vormals weißen Partikeln (SiO?, A O _? ) schwarze bis braune Cu-beschichtete Partikel erhalten, wobei schwarze Partikel auf sehr nanoskalige Produkte und zunehmend braune Partikel auf teilweise aggregierte Produkte hindeuten).

Die Zusammensetzung und mittleren Kristallitgrößen (nach Debye-Scherrer) der abgeschiedenen Metalle lassen sich mittels Röntgenpulverdiffraktometrie feststellen. Im Falle röntgenamorpher Proben kann eine Kristallisation durch Nachtempern unter Schutzgas erfolgen (v. a. Nickel wird manchmal amorph abgeschieden). Der tatsächlich abgeschiedene Metallgehalt kann mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) ermittelt werden. Die Dicke und Struktur der abgeschiedenen Metalle/Schichten lässt sich mittels Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) untersuchen.

Mit den erfindungsgemäß metallisierten Partikel wurden Fülldrähte hergestellt und Schweißversuche damit durchgeführt. Vorteilhaft war für die beschichteten Nanopartikel keine Auflösung/Zersetzung in der Metallmatrix zu beobachten war (im Gegensatz zu unmetallisierten Nanopartikeln).