One-dimensional nanostructures and microstructures by templated high-temperature conversions

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es, eine Prozedur zu entwickeln, mit deren Hilfe qualitativ hochwertige 1D Nano- und Mikrostrukturen hergestellt werden können. Dazu wurde die Methode der Hochtemperaturumwandlung genutzt und geordnete poröse Materialien als Template und Reaktionsvolumen gewählt. Die so erzeugten Proben wurden hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer relevanten Eigenschaften charakterisiert. Die Dissertation gliedert sich grob in zwei Teile. Im ersten Teil wurde die Hochtemperatur-Thermolyse von Arylchalcogenolaten zur Verwendung als Ausgangsmaterial betrachtet. Die Thermolyse von Arylchalcogenolaten in den Poren poröser Template wurde untersucht und am Beispiel der Herstellung von monokristallinen Nanowiren und polykristallinen Microtubes aus CdSe dargelegt. Dies wurde sowohl für inerte als auch für benetzte Template untersucht, wobei im letzteren Fall das Templat als Reaktant fungierte. Die Methode der chemischen Umwandlung bei hohen Temperaturen, welche die Reaktionsfähigkeit der geordneten porösen Materialien ausnutzt, erweitert dabei das Spektrum an Materialien, welche für die Herstellung von 1D Nano- und Mikrostrukturen verwendet werden können. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Modifizierung von makroporösem Silizium durch funktionale anorganische Oxide. Da die periodische Anordnung von Poren in makroporösem Silizium als zweidimensionaler photonischer Kristall betrachtet werden kann, ergibt die Modifizierung der Poren durch funktionalisierte Oxid-Microtubes Hybridsysteme, welche ein hohes Potential für die Anwendung in optischen Komponenten und als Baugruppen mit Eigenschaften in der Größenordnung von Mikrometern aufweisen. Ausgewählte Beispiele aus dieser Arbeit sind die Modifizierung von makroporösem Silizium mit LiNbO3 und Er:LiNbO3 Microtubes und die lithiuminduzierte Kristallisation von amorphen Silica-Microtubes. Es konnte gezeigt werden, dass die Methode der Hochtemperaturumwandlung eine einfache und allgemein anwendbare Methode ist, um qualitativ hochwertige und funktionale 1D Nano- und Mikrostrukturen herzustellen, sowohl in geordneter als auch in ungeordneter Form. Es sollte daher möglich sein, die hier vorgestellte Methode ebenso auf andere Ausgangsmaterialien zu übertragen. Darüber hinaus ist die Verwendung dieser Methode auch für andere nano- und mikroporöse Materialien denkbar, zum Beispiel mesoporöses Silizium, künstliche Opalstrukturen oder ihre Umkehrungen.

The aim of this thesis is to develop a generic procedure for the production of high quality functional one-dimensional (1D) nano- and microstructures by templated high-temperature conversion using ordered porous materials as templates and reactants as well as characterization in forms of structure and their relevant properties. The thesis mainly includes two parts, first of all, templated high-temperature thermolysis of arylchalcogenolates as single source precursors, which is again including two parts. i) thermolysis of arylchalcogenolates inside the pores of porous templates, under conditions where the templates are inert, was explored. As a selected example, the preparation of CdSe single-crystalline nanowires and polycrystalline microtubes will be described. ii) Thermolysis of arylchalcogenolates wetted templates under conditions where the templates act as reactants in a controlled manner were studied. High temperature chemical transformations exploiting the reactivity of the ordered porous templates further extend the range of accessible target materials that the 1D nanostructures and microstructures may consist of. Second, modification of macroporous silicon by functional inorganic oxide microtubes was investigated. Macroporous silicon is a 2D photonic band gap material. Modification of macroporous silicon by functional oxide microtubes yields hybrid systems consisting of billions of aligned functionalized channels, which have a great potential for micrometer-scale, functional optical components in micro-devices. Selected examples are: i) Modification of macroporous silicon with LiNbO3 and Er:LiNbO3 microtubes. ii) Modification of macroporous silicon by lithium-induced crystallization of amorphous silica microtubes. This study of the templated high-temperature conversions proved that it is a simple and generic procedure to fabricate high quality functional 1D nanostructures and microstructures, either as arrays or powders. It should easily be possible to adapt the proposed templated high-temperature conversion method to other types of precursors. Moreover, the approach presented here may be applicable to nano- and microporous materials other than ordered porous alumina and macroporous Si, such as mesoporous Si, artificial opals, and their inverse counterparts.