Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009

Plasmonische Substrate stellen ein leistungsstarkes Werkzeug für analytische Anwendungen dar. Neue plasmonische Substrate werden entwickelt, um das Spektrum ihrer Anwendungen und die Nachweisgrenzen der analytischen Spektroskopie zu erweitern. Diese Arbeit setzte sich zum Ziel, plasmonische Nanostrukturen mit Magnesiumfluorid zu beschichten. Magnesiumfluoridbeschichtungen sind zwar porös, weisen aber eine hohe mechanische Stabilität und außergewöhnliche optische Eigenschaften auf (niedrigen Brechungsindexes, großen optischen Fensters). Die Kombination dieser Eigenschaften mit den positiven Eigenschaften von plasmonischen Nanostrukturen kann zu fortschrittlichen plasmonischen Substraten für analytische Anwendungen führen. Diese Arbeit bietet zwei Ansätze für die Beschichtung der plasmonischen Nanostrukturen an die Core-Shell-Nanopartikelherstellung, die einen plasmonischen Core enthält und die Beschichtung von auf Glas immobilisierten plasmonischen Nanostrukturen. Über Metal@metal Fluoride Core-Shell-Nanopartikel wurde in der Literatur noch nichts berichtet. Daher Au@MgF2wurde ein Ansatz verfolgt, der auf dem Wissen über Metall-@Metalloxide und Metallfluoride@Metallfluoride basiert und die Synthese von Core-Shell-Nanopartikeln ermöglicht. Die erhaltenen Strukturen wurden mit elektronenmikroskopischen Methoden charakterisiert. Der zweite Ansatz bestand in der Immobilisierung von Goldnanopartikeln auf Glas und deren Beschichtung mit Magnesiumfluorid. Diese Fertigungsart verleiht eine hohe mechanische Stabilität und wissenswerte optische Eigenschaften an plasmonischen Substraten, die sich durch eine hohe nanoskopische Homogenität der Goldnanopartikelverteilung auszeichnen und optischer Signale, die echte analytische Anwendungen ermöglichen, ermittelt. Die Beschichtung von auf Glas mit Magnesiumfluorid immobilisierten Goldnanopartikeln führt zu einem sehr vielversprechenden Substrat , das in Zukunft für Sensorik und andere Anwendungen verwendet werden kann. / Plasmonic substrates can be a powerful tool for analytical applications. In order to broaden the spectrum of their applications and to push the detection limits of analytical spectroscopy, new plasmonic substrates are developed. The motivation of this work was to coat plasmonic nanostructures with magnesium fluoride. Coatings of magnesium fluoride are porous but exhibit high mechanical stability and extraordinary optical properties including a low refractive index and a wide optical window. Combining these properties with the beneficial properties of plasmonic nanostructures can lead to advanced plasmonic substrates for analytical applications. Two approaches for coating of the plasmonic nanostructures are proposed in this work: a core-shell nanoparticles fabrication and coating of plasmonic nanostructures immobilized on glass. The fabrication of Au@MgF2 core-shell nanoparticles turned out to be an extremely challenging approach. Such systems have not been reported in the literature yet. Therefore, an approach based on knowledge of metal@metal oxides and metal fluorides@metal fluorides core-shell nanoparticles synthesis was undertaken. The obtained structures were characterized using electron microscopy methods. Due to the numerous difficulties in the synthesis and characterization this way of coating plasmonic nanostructures with magnesium fluoride was not further processed. The approach based on immobilization of gold nanoparticles on glass and coating them with magnesium fluoride using a dip-coating method provides plasmonic substrates that are characterized by a high nanoscopic homogeneity of the gold nanoparticles distribution, a high mechanical stability, interesting optical properties and enhancement factors of optical signals that allow for real analytical applications. The coating of gold nanoparticles immobilized on the glass with magnesium fluoride results in very promising substrate that can be used for sensing and other applications in the future.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mechanistischen Untersuchungen der fluorolytischen Sol-Gel-Synthese von nano-Magnesiumfluorid, sowie verschiedenen Abwandlungen der bekannten Synthese zur gezielten Veränderung der Eigenschaften der erhaltenen Materialien. Es werden die drei im folgenden beschriebenen Themenbereiche behandelt: Der Verlauf der Fluorolyse von Magnesiummethoxid mit methanolischer HFLösung wird mit der 19F-NMR-Spektroskopie über sechs Monate untersucht. Es wird gezeigt, dass MgF2-Nanopartikel, Agglomerate von gestörten MgF2-Partikeln und nicht umgesetzte, adsorbierte HF-Spezies in den Solen nachweisbar sind. Erstmalig werden MAS-NMR-Experimente an Solen beschrieben. Zusätzlich wird die schrittweise Fluorolyse von MgCl2 mittels NMR-Spektroskopie und XRD untersucht. Es werden drei verschiedene Synthesewege vorgestellt, mit denen eine Veränderung von Partikel- oder Kristallitgrößen erreicht wird. Eine sequentielle Synthese ermöglicht die Vergrößerung der Agglomerate im Sol. Das Erhitzen eines Sols zum Sieden unter Rückflusskühlung führt zu einem geringfügigen Anwachsen der Kristallitgröße. Durch Solvothermal-Synthesen wird eine signifikante Vergrößerung der Kristallite erzielt. Der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter wird untersucht. Der Einfluss von MgF2 auf die Kristallisation von amorphem TiO2 wird untersucht. Es wird gezeigt, dass die Sol-Gel-Synthese von TiO2 in Gegenwart eines MgF2-Sols (min. 5 mol%) zur Kristallisation von Rutil-TiO2 bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen führt. Verschiedene alternative Synthesen werden vorgestellt, durch die bei vergleichbaren Bedingungen nur Anatas-TiO2 erhalten werden kann. Ein möglicher Mechanismus der Strukturinduktion wird vorgeschlagen. / The present Ph.D. thesis deals with mechanistic investigations of the fluorolytic sol-gel synthesis of nano magnesium fluoride. Furthermore, variations of the well known synthesis are introduced. The aim of these variations is to tailor the properties of the synthesized materials. The thesis covers three main chapters briefly introduced below: The course of the fluorolysis of magnesium methoxide with methanolic HF-solution will be monitored for six months using 19F NMR spectroscopy. The existence of MgF2 nanoparticles and agglomerates of disturbed MgF2 particles will be proven. It is demonstrated that hydrogen fluoride does not react immediately after the addition of HF-solution. For the first time MAS-NMR experiments of sols will be conducted. Furthermore, stepwise fluorolysis of magnesium chloride will be followed by NMR spectroscopy and X-ray diffraction. In this case no intermediates will be detected. Three different synthetic approaches capable of tailoring the crystallite and particle sizes will be presented. Using a sequential synthesis leads to increased size of the agglomerates in the sols. It will be demonstrated that heating and refluxing of a sol increases the crystallite size slightly. Solvothermal synthesis will be the last method leading to significant increase in crystallite sizes. Several synthetic parameters will be varied to identify their influence on the received crystallites. The influence of nano MgF2 on the crystallisation of amorphous TiO2 is investigated. It will be shown, that the sol-gel synthesis of TiO2 in the presence of a MgF2 sol leads to the crystallisation of the rutile polymorph of TiO2. The temperature treatment for that is comparatively low and just 5 mol% MgF2 are necessary. Furthermore, a different alternative synthesis will be introduced, that gives the anatase polymorph at the same conditions. Eventually a possible mechanism for the structural induction is proposed.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.