Oberflächenchemie an Silicium-Nanopartikeln

Abstract

Zwei industriell hergestellte, nanokristalline Silciumpulver, die sich in der Primärpartikelgröße unterscheiden (50-300 nm und 5-10 nm), bilden die Grundlage für Oberflächenmodifikationen auf der Nanometer-Skala. Beide sind zunächst an ihrer Oberfläche durch SiO-Schichten bedeckt. Die Oxidschichten lassen sich durch den Einsatz gasförmigen Fluorwasserstoffs wesentlich effektiver entfernen als beim Einsatz von Flusssäure. Um die entstehende Hydridschicht gegen Oxidation zu schützen, erfolgt partielle Alkylierung oder Alkenylierung. Festkörper-NMR-Spektren der relevanten Kerne zeigen die kovalente Modifikation an, FTIR-Integrale treffen Aussage über relative Effizienzen. Die Modifikationseffizienzen beider Reaktionen sind abhängig von der Prozessführung und vom eingesetzten Pulver. Grobkörniges Si-Pulver aus einem Heißwandreaktor ist weniger reaktiv als solches aus einem Mikrowellenreaktor, eine Folge des Unterschieds in der relativen Oberfläche. Die Modifikation der Oberfläche nimmt Einfluss auf die Morphologie des Partikelgefüges, alkylierte Partikel packen sich dichter als oxidisch oder hydridisch terminierte. Dieser Effekt ist um so deutlicher, je kleiner die Primärpartikel sind. Kombinierte Hydrierung und Alkylierung der Siliciumnanopartikel liefert eine vom Startmaterial in der Größe unabhängige Partikelklasse (2,5-3 nm), wie TEM-Aufnahmen zeigen. Diese Partikel sind im Unterschied zu den Edukten kolloidal in unpolarer Phase löslich und photolumineszent. An ihrer Oberfläche gebundene Fluoratome nehmen Einfluss auf die Photolumineszenzeigenschaften. Hohe Ausbeuten in der Darstellung gestatten Folgereaktionen der organischen Hülle der Silciumpartikel. Chemisches Design der Hülle nimmt Einfluss auf ihre Lumineszenzeigenschaften. Durch Einführung polarer Gruppen lässt sich Si-basierte Photolumineszenz auch in Wasser bereitstellen.