Functional applications of Al·Al2O3 nanowires : laser assisted α-Al2O3 synthesis and fabrication of micro-/nanostructured surfaces for cell compatibility studies

Abstract

Recently, one-dimensional (1D) nanostructures have attracted considerable interest of nanoscience studies as well as nanotechnology applications. Especially 1D hetero-structural nanowires with a combination of two different materials, for instance metal/metal oxide composites, hold a great potential for various photonic and electronic applications. Thus, Al·Al2O3 core-shell nanowires, which were firstly reported by Veith et al., form an interesting class of such hetero-nanostructures. This thesis describes the preparation of functional surfaces composed of 1D nanostructures by CVD of a (tBuOAlH2)2 [bis(tert-butoxyaluminum dihydride)] precursor and laser treatment of such structures. Firstly, main attention is given to understand the underlying mechanisms controlling the 1D growth of Al·Al2O3 nanostructures. By applying systematically different deposition temperatures and flow rates, various nanostructures were synthesized. At high deposition temperatures chaotic Al·Al2O3 nanowires form, whereas at low deposition temperatures worm- and loop-like nanostructures are achieved. A new mask-less local deposition method, named selective CVD (SCVD), is introduced by selective heating of the substrate with electro magnetic induction. A controlled thermal gradient leads to the observation of stepwise 1D growth of nanostructures. As a continuation the of the local deposition approach,an LCVD system has been designed and fabricated to show the possibility to grow 1D complex structures. α-Al2O3 layers were synthesized by laser induced heating of deposited Al·Al2O3 nanowires. In particular, two laser processing approaches were investigated: continuous wave (CW) laser and pulsed laser treatments. CW laser treatment is useful to produce dense and fully crystalline α-Al2O3 layers which may be employed as hard and protective coatings. Pulsed laser treatment produces a large variety of nanostructures (nanopores, nanoprotrusions, nanospheres etc.) of Al2O3 which is interesting for studying cell-surface interactions. Micro /nanostructured surfaces prepared by direct deposition of (tBuOAlH2)2 and laser treatment were tested for biocompatibility. Jurkat cells seem to adhere selectively on Al·Al2O3 nanowires which may lead to applications in cancer diagnosis and therapy. Laser treated Al·Al2O3 layers exhibit a better biocompatibility for normal human dermal fibroblast (NHDF) cells. In addition, a preliminary study on neurons showed that Al·Al2O3 nanowires provide enhanced cellular adhesion and growth which can be interesting for various applications in medical fields as well as in biosciences.

In jüngster Zeit konnten eindimensionale (1D) Nanostrukturen beträchtliches Interesse sowohl der Nanowissenschaften als auch der Anwender der Nanotechnologie auf sich ziehen. Insbesondere 1D heterostrukturelle Nanodrähte, kombiniert aus zwei unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Metall-Metalloxid-Zusammensetzungen, verfügen über bedeutendes Potential für verschiedenste photonische und elektronische Anwendungen. So bilden die zuerst von Veith et al. beschriebenen Al·Al2O3-Kern-Hülle-Nanodrähte eine Klasse dieser Hetero-Nanostrukturen. Diese Dissertation behandelt die Herstellung funktionaler 1D-Oberflächen mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) mit einem (tBuOAlH2)2-Präkursor und anschließender Laser-Prozessierung. Zunächst gilt das Hauptinteresse dem Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus, der das Wachstum der Al·Al2O3-Nanostrukturen beeinflusst. Durch systematische Verwendung unterschiedlicher Depositionstemperaturen und Präkursorflussraten werden verschiedene Nanostrukturen synthetisiert. Bei hohen Temperaturen bilden sich chaotische, unregelmäßige Al·Al2O3-Nanodrähte, während bei niedrigen Temperaturen wurm und schleifenartige Nanostrukturen erhalten werden. Als eine neue Depositionsmethode, ohne Verwendung einer Maske und durch selektives Erhitzen des Substrats mittels elektromagnetischer Induktion, wird das sogenannte selektive CVD-System (SCVD) eingeführt. Ein kontrollierter Temperaturgradient führt zu der Beobachtung des schrittweisen eindimensionalen Wachstums von Nanostrukturen. Desweiteren wird als Fortsetzung des lokalen Depositionsverfahrens ein Laser-CVD-Verfahren erarbeitet und entwickelt, um die Möglichkeit des Erzeugens komplexer 1D-Strukturen aufzuzeigen. α-Al2O3-Beschichtungen werden mittels laserinduzierter Erhitzung der Al·Al2O3-Nanodrähte synthetisiert. Im Einzelnen kommen zwei Laser Prozessierungsverfahren zur Anwendung: Continuous-wave(CW)-laser-Behandlung und die Prozessierung mittels gepulstem Laser. Die CW-Laser-Behandlung ist anwendbar für die Herstellung dichter und vollständig kristalliner α-Al2O3-Kompositschichten, die als harte, schützende Beschichtungen Verwendung finden können. Die Behandlung mit einem gepulsten Laser hingegen erzeugt eine große Bandbreite von Nanostrukturen (nanopores, nanoprotrusions, nanospheres etc.) aus Al2O3, die dem Studium von Zell-Oberflächen-Interaktionen dienen können. Durch direkte (tBuOAlH2)2-Deposition und anschließende Laserbehandlung erzeugte mikro- beziehungsweise nanostrukturierte Oberflächen werden auf ihre Biokompatibilität hin untersucht. Jurkat-Zellen adhärieren selektiv an Al·Al2O3-Nanodrähten, was zu der Verwendung dieser Strukturen in der Diagnose und Therapie von Karzinomerkrankungen führen kann. Laserbehandelte Al·Al2O3-Schichten zeigen eine gute Biokompatibilität für normale Fibroblasten der menschlichen Dermis (normal human dermal fibroblasts, NHDF). Desweiteren zeigen erste Untersuchungen an Neuronen (Nervenzellen), dass Al·Al2O3-Nanodrähte zu gesteigerter Adhäsion und vermehrtem Wachstum dieser Zellen führen, was für verschiedene Anwendungen sowohl im medizinischen Bereich als auch in den Biowissenschaften von Interesse ist.