Projekt 25714/01

Ressourcenschonung durch Anwendung innovativer Metallnanopartikel-Metallmatrix-Systeme für Elektronikanwendungen

Projektträger

Largentec Vertriebs GmbH
Am Waldhaus 32
14129 Berlin
Telefon: 030/8133641

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In dem Projekt sollen unterschiedliche Metallnanopartikel-Metallmatrixsysteme untersucht werden. Es soll die Herstellbarkeit aussichtsreicher Nanokomposite wie Ni-nano-Au (Modellsystem), Sn-nano-Ag und Pd-nano-Ag hinsichtlich ihrer HersteIlbarkeit grundlegend untersucht werden. Ziel ist die Optimierung der Prozesse und die elektrochemische und chemo-mechanische Charakterisierung der neuartigen funktionellen Schichten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Herstellung der Nanopartikel ist in zwei Schwerpunkte unterteilt: (1) Synthese von Kern-Schale Polymeren und deren Optimierung hinsichtlich Synthese und Einfluss auf die Stabilität von Metall Nanopartikeln, (2) Bestimmung und Optimierung der Parameter, die die Stabilitat der Metall Nanopartikel in Losung beeinflussen. Das Zusammenwirken von Metallnanopartikeln mit kommerziellen Elektrolytsystemen ist mit elektrochemischen Methoden zu untersuchen, um ein besseres Verständnis und eine Übertragbarkeit für die Praxis zu erreichen. Dabei kommen klassische elektrochemische Verfahren und Parameterabhängigkeiten zum Einsatz. Die unter definierten elektrochemischen Bedingungen gewonnenen Schichtsysteme werden auf ihre Zusammensetzung, Partikelverteilung und Partikel-Einbauraten sowie ihrer chemisch-mechanischen Eigenschaften untersucht. Die aus den elektrochemischen Untersuchungen und den korrespondierenden Schichteigenschaften gewonnenen Erkenntnisse werden auf eine entsprechend angepasste galvanotechnische Anlagenkonstruktion bzw. Kleingalvanoanlage übertragen. In dieser Anlage soll eine Übertragbarkeit der elektrochemisch untersuchten Metallnano-Systeme in ein kommerzielles Galvanosystem grundsätzlich überprüft werden.


Ergebnisse und Diskussion

In Vorbereitung auf die elektrochemischen Untersuchungen wurden Nano-Au IKern-Schale-Systeme, sowohl als ein-als auch zweischalige Systeme erzeugt und auf ihre Stabilitat in wässrigen Lösungen ge-prüft. Bei den einschaligen Au-Nanosystemen wurden die Systeme mit polarem Kern (PAMAM [poIy(ethyleneimine)], PG[polyglycerol] mit unterschiedlichen Molekulargewichten sowie einer hydrophi-len oder hydrophoben äusseren Schale (monomethyl poly(ethylene glycol)ether, pseudo-PAMAM, gluco-lactone oder Fettsäuren) hergestellt. Die Doppelschalensysteme aus einem polarem Kern, einer unpola-ren inneren Schale und einer hydrophilen Aussenschale wurden als in Wasser lösliche und stabile Au-nanoSysteme erzeugt. Durch Variationen der Parameter(Kern, innere und aussere Schale) konnten nicht nur stabile Systeme erzielt werden, sondern auch die dabei erreichbare maximale Beladbarkeit stabiler Kern-Schalesysteme mit Au ermittelt werden. Ein weiteres Ziel der Untersuchungen war, die Herstellungsverfahren der Kem-Schale-Systeme zu vereinfachen und damit auch die Herstellkosten zu reduzieren. Hierzu sind erste Vorversuche vielversprechend angelaufen. Die Nano-Au-IKern-Schalesysteme sind in Nickelsufamat-Elektrolyten, die in kommerzieller Zusammensetzung hergestellt wurden, für die elektrochemischen Untersuchungen eingesetzt worden. Wesentliche Parameter bei den elektrochemischen Untersuchungen waren: Strom, Spannung, Konvektion sowie die Konzentration der PEI-PAMAM Nano-Au-Systeme. Die Untersuchungen erfolgten mit rotierenden Zylinder-bzw. Scheibenelektroden, um definierte Diffusionsbedingungen bei der Metallabscheidung sicherzustellen, Als Refe-renz wurde jeweils der organikfreie Nickelsulfamat-Elektrolyt herangezogen. Erstes wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass sowohl der Kern-Schale Komplex allein als auch in seiner Nano-Au-beladenen Form elektrochemisch ein starker Inhibitor ist, der kommerziellen Nickel-Inhibitoren (Brighte-ner class 11) direkt vergleichbar ist. Das bedeutet, dass bei dem verwendeten Nano-Au/Kern-Schale-System in einem Nickelsulfamatelektrolyten kein zusatzllcher Inhibitor (brightener class 11) verwendet werden muss und daher der Nanocarrier nicht nur das Au transportiert, sondern auch klassische Aufga-ben in einem GalllanikelektroIyten (z. B. Einebnung) mit wahrnehmen kann. Die ersten Analysen der Ni-Nano-Au-Schichten zeigten eine ausserordentlich, bisher im Nanomassstab bei der Dispenlionsbeschichtung nicht bekannte Gfeichmässigkeit der Nano-Au-Partikel durch die gesamte Nickelschicht. Die Nano-Au-Partikel konnten in den Nickelschichten nur mit Hilfe eines lonenätzverfahrens und Erarbeitung eines entsprechenden KnowHows in der vorliegenden Qualität sichtbar gemacht werden. Bei den einge-bauten Nano-Au·Partikeln handelt es sich um Au-Partikelgrössen von 2-5 nml Derzeit laufen die Unter-suchungen in Richtung Ermittlung erster Eigenschaften der neuen Nickelmatrix-Nano-Au-Dispen;ionsschichten. Parallel zu den Arbeiten um die Charakterisierung der Schichtsysteme wird der Einfluss von weiteren. im Nickelsulfamatsystem ZU Abscheidung spannungsarmer/-freier Nickelschichten eingesetzte Brightener class I Systeme. hinsichtlich Stabilität der Kern-Schalesysteme und das elekt-rochemische Verhalten untersucht. Für die testweise zu prüfenden anderen Nano-Ag-Systeme in Zinn-und Palladiumelektrolyten sind einschalige und zweischalige, in Wasser stabile Nanocarrier bereits er-zeugt worden. Für die Übertragung der im Labormasstab gewonnenen Ergebnisse in praxisnahe Galva-niksysteme, sind erste Konstruktionsentwürfe erarbeitet worden, die den spezifischen Umgang mit Nano-Partikeln Rechnung tragen und die eine Übertragbarkeit in die Praxis aufzeigen sollen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorstellung der bisherigen Ergebnisse und der Versuchseinrichtungen vor dem DBU-Projektbetreuer (Dr. Schwake) am 30.1.2008 an der FU Berlin.


Fazit

Die derzeitigen Ergebnisse erfüllen bisher alle Erwartungen. die an das Modellsystem Ni-Matrix-Nano-AuSystem aus elektrochemischer Sicht und Stabilitätserwartungen der Kern-.Schale-Nanometalle in EIektrolyten geknüpft wurden. Es werden gute AussIchten gesehen, dass vergleichbare Ergebnisse auch in anderen Metallmatrix-Nanometall-Dispersionsbeschlchtungen erreicht werden können.Die Eigen-schaften dieses neuartigen Schichtsystems Nickelmatrix-Nano-Au .ist in Bearbeitung. Auch zeigen die bisherigen Ergebnisse deutlich, dass es weit geringere Probleme bel einer Aufskalierung in den technischen Massstäben im Vergleich zu den bisher bekannten Ansätzen zur galvanischen Nano-Hartstoffabscheidung in Metallschichten geben wird.