Laserbasierte Modifikation von porösen TiO2 -, TiO2/Au- und Au- Materialien
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der laserbasierten Modifikation von porösen Titandioxid- und Gold-Materialien. Poröse Materialien sind aufgrund ihrer großen Oberfläche und den damit verbundenen Eigenschaften z.B. für photovoltaische und -katalytische Anwendungen von Interesse. So kann der Lichteinfang und die Anzahl von katalytisch aktiven Zentren mit steigender Oberfläche erhöht werden. Große Oberflächen können durch Nanomaterialien, also Materialien mit einer Strukturgröße unter 100 nm, erreicht werden. Nanomaterialien können in verschiedenen Formen vorliegen. Die bekannteste Form sind Nanopartikel. Diese können großtechnisch mit verschiedenen Verfahren in ausreichender Menge hergestellt werden. In Form von Pulvern ist der Einsatz von Nanopartikeln allerdings nur begrenzt möglich. Erst durch die Verbindung der Nanopartikel untereinander und somit der Bildung eines festen, nanoporösen Netzwerks kann der elektrische Kontakt hergestellt und die elektrische Leitfähigkeit verbessert werden. Die Bildung eines nanoporösen Netzwerks kann durch Sintern von Nanopartikeln erreicht werden. Konventionell werden dabei Nanopartikelschichten im Ofen erhitzt, so dass die Partikel miteinander versintern. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es nur eine homogene Bearbeitung der kompletten Schicht erlaubt. Häufig ist es jedoch von Vorteil nicht eine homogene, sondern eine für die Anwendung optimierte, strukturierte Schicht zu erhalten. Neben einer Anpassung der Struktur kann auch die chemische Modifikation nanoporöser Materialien für viele Anwendungen von Vorteil sein.
Eine Möglichkeit, nanoporöse Materialien im Mikro-/Nanometer-Bereich zu bearbeiten und somit die porösen Strukturen und die chemische Zusammensetzung für verschiedene Anwendungen anzupassen, bietet die Laserbearbeitung. Bei der Laserbearbeitung wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche fokussiert. Durch Absorption des Laserlichts erwärmen sich die Partikel und können lokal versintern. So können verschiedene Strukturen erzeugt oder die Materialien chemisch modifiziert werden. Durch die Verwendung von Lasern unterschiedlicher Wellenlänge kann die Laserenergie selektiv in verschiedenen Materialien absorbiert werden und dort verschiedene Prozesse induzieren. Die Laserbearbeitung zeichnet sich darüber hinaus durch einen geringen technischen Aufwand, eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit sowie ein einfaches Upscaling im Hinblick auf eine Serienfertigung aus.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Laserbearbeitung von nanoporösen TiO2 - und TiO2/Au-Nano-partikelschichten sowie von nanoporösem Gold für photovoltaische und spektroskopische Anwendungen zu demonstrieren. Die Veränderung dieser Materialien durch die Laserbearbeitung wird in Abhängigkeit von den Laserparametern analysiert. Aus diesen Daten werden Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Prozesse und Mechanismen gezogen. Darüber hinaus wird der Einsatz solcher laserbearbeiteter Schichten in Farbstoffsolarzellen bzw. laserbearbeiteter, nanoporöser Goldsubstrate in spektroskopischen Anwendungen dargestellt. Hierdurch werden neue Wege zur Herstellung und Modifikation von nanoporösen Materialien aufgezeigt.
The focus of this work is the laser-based modification of porous titanium dioxide and gold materials. Porous materials are of interest for photovoltaic applications and -catalysis due to their large surface area and associated properties. Thus, the light trapping and the number of catalytically active centres can be increased with increasing surface. Large surfaces can be achieved by nanomaterials, i.e. materials with a feature size of less than 100 nm.The most popular form of nanomaterials are nanoparticles. These can be prepared industrially by various methods in sufficient quantity. In the form of powders, the use of nanoparticles, however, is limited. Only by connection of the nanoparticles with each other and hence the formation of a solid, nanoporous network, the electrical contact is made and the electrical conductivity can be improved. The formation of a nanoporous network can be accomplished by sintering of nanoparticles. A conventional method is to heat nanoparticle layers in the oven, so that the particles sinter together. This method has the disadvantage that it only allows a homogeneous treatment of the entire layer. Often, however, it is advantageous to create patterned layer, that is optimised for a specific application. In addition to an adjustment of the structure, the chemical modification of nanoporous materials can be beneficial for many applications.
Laser processing offers a way to process nanoporous materials in micro- and nanometer range and thus optimise the porous structures and chemical composition. In laser processing, a laser beam is focused onto the surface. Through absorption of the laser light, the particles heat up and sinter locally. Thus, various structures can be created or the materials can be chemically modified. By the use of lasers of different wavelength, the laser energy can be selectively absorbed in different materials and there induce various processes. The laser processing is further characterised by low technical complexity, a high processing speed and a simple upscaling with a view to mass production.
The goal of this work is to demonstrate laser processing of nanoporous titania and hybride titania/gold nanoparticle layers and nanoporous gold for photovoltaic and spectroscopic applications. The modification of these materials by the laser processing is analysed as a function of the laser parameters. From these data, conclusions about the underlying processes and mechanisms are drawn. Moreover, the use of such laser-processed layers in dye sensitised solar cells or laser-processed nanoporous gold substrates is shown in spectroscopic applications. In this way, new routes for the preparation and modification of nanoporous materials are shown.
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