Applications of atomic layer deposition in modern materials science

Abstract

Obwohl sich viele Techniken zur Entwicklung ultradünner Schichten eignen, sind wenige so hoch entwickelt wie die Atomlagenabscheidung (ALD). Mit dieser Methode kann jedes beliebige Substrat mit ultradünnen Filmen unterschiedlichster Materialien beschichtet werden, die eine beispiellose Gleichmäßigkeit sowie Schichtdickenkontrolle im Sub-nm-Bereich aufweisen. ALD wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in großem Umfang zur Synthese von Schichten aus Oxiden, Nitriden, Sulfiden oder reinen Metallen eingesetzt. In den letzten 20 Jahren haben Forscher damit begonnen, Wege zu hochkomplexen Materialien wie metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) zu entwickeln, die ausschließlich in der Gasphase hergestellt werden, um deren Anwendung im industriellen Maßstab zu ermöglichen.In dieser Arbeit demonstrieren wir einen Weg für die ALD-Synthese des MOF Ti-MIL-125 und stellen eine Reihe von Charakterisierungsmethoden vor, die zum Verständnis solcher neuen Materialien geeignet sind. Wir demonstrieren auch die Möglichkeit der ALD-Synthese eines MOF-Laminats aus Ti-MIL-125 und Zr-UiO-66, wobei wir die Gleichmäßigkeit und die Qualität der Grenzflächen des Stapels hervorheben. Durch eine Reihe von Experimenten, die darauf abzielen, die Kristallinität unserer Netzwerke zu verbessern, konnten wir Einblicke in die Kinetik und Thermodynamik dieser Systeme gewinnen. Im letzten Kapitel demonstrieren wir die Gleichmäßigkeit von ALD-TiO2-Beschichtungen auf hochkomplexen 3D-gedruckten TiVAl-Substraten.

While many techniques are suitable for designing ultra-thin films, few are as sophisticated as Atomic Layer Deposition (ALD). This method allows any substrate to be coated with ultra-thin layers of material with unparalleled uniformity and thickness control in the sub-nm range. ALD was widely used in the second half of the 20th century to synthesize layers of oxides, nitrides, sulfides or pure metals. However, in the last 20 years, researchers have started to develop routes to highly complex materials such as metal organic frameworks (MOFs) by all-gas phase approaches, generally trying to enable their application on an industrial scale.In this work, we demonstrate a route for the ALD synthesis of the MOF Ti-MIL-125 and present a set of characterization methods suitable for understanding such new materials. We also demonstrate the possibility of using ALD to synthesize a MOF laminate of Ti-MIL-125 and Zr-UiO-66, highlighting the uniformity and interface quality of the stack. Through a series of experiments aimed at improving the crystallinity of our networks, we have been able to gain insights into the kinetics and thermodynamics of these systems. In the last chapter, we demonstrate the uniformity of ALD-TiO2 coatings on complex shaped and highly intricate 3D-printed TiVAl substrates.