Fluorholdige hybridmaterialer med atomlagsavsetting : Syntese og karakterisering

Abstract

Hovedfokuset med denne oppgaven har vært å lage organisk-uorganiske hybridmaterialer, i form av tynne filmer ved hjelp av atomlagsavsetting (ALD). Denne gruppen materialer kan bygges opp med utallige kombinasjoner av organiske ligander og forskjellige typer metaller. Dette kan utnyttes slik at en i teorien kan skreddersy et materiale som har de ønskede egenskapene som forskjellige formål krever. Dette krever imidlertid kunnskap om effekten av ulike fremgangsmåter å funksjonalisere materialet. Som et ledd i dette ble det benyttet forskjellige typer fluorinerte dikarboksylsyrer i denne oppgaven, en aromatisk F-tereftalsyre og en lineær F-glutarsyre. Disse ble valgt for å kartlegge fluorets påvirkning av vekst og egenskaper til sluttproduktet, sammenlignet med filmer av tilsvarende ufluorinerte organiske ligander laget tidligere [1]. Aluminium ble brukt som uorganisk del i form av trimetylaluminium.

Det har vært mulig å oppnå selvbegrensende vekst for begge de undersøkte systemene. Vekstraten for Al-F-tereftalsyre og Al-F-glutarsyre er på henholdsvis 0,5 og 0,8 nm/syklus i sine respektive ALD-vindu mellom 200-240 °C og 100-150 °C. Disse fluorinerte filmene viser dermed noe høyere vekstrate enn tilsvarende ufluorinerte filmer [2, 3]. Brytningsindeksen for de fluorinerte filmene er imidlertid litt lavere sammenlignet med de ufluorinerte. Filmene er termisk stabile til ca. 200-300 °C ved oppvarming i inert atmosfære. Fluorinerte organiske molekyler forbindes ofte med hydrofobe egenskaper. Filmene i denne oppgaven viste seg imidlertid å løses lett i vann. Dette har også ført til at enkelte av hybridfilmene, som ellers er amorfe, lot seg overraskende utkrystallisere i fuktig luft.

Filmveksten er studert med kvartskrystall mikrovekt (QCM) men det har ikke vært mulig å bestemme en nøyaktig vekstmekanisme. Veksten av filmene viser meget lineær sammenheng mellom tykkelse og antall sykluser, og filmer så tykke som 2 μm er laget med svært lite gradienter. Ved hjelp av kjernemagnetisk resonans (NMR) er det vist at aluminium i filmene basert på F-glutarsyre er oktaedrisk koordinert. Dette er så vidt vi vet første gang denne teknikken benyttes på hybridfilmer laget med ALD.