Selective adsorption of metal nanoparticles on block copolymer films through electrostatic interactions

• Selektive Adsorption von Metall-Nanopartikel auf Block Copolymer Filmen anhand elektrostatischer Wechselwirkungen

Wagner, Tom; Böker, Alexander (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Zusammenfassung "Selektive Adsorption von Metallnanopartikel auf Block Copolymer Filme anhandElektrostatischer Wechselwirkungen"Die vorliegende These beschäftigt sich mit dem kontrollierten Aufbau von geordneten nanometer-großen Strukturen, welche zum Teil aus physikalisch aktiven Komponenten bestehen, und außerordentliches Potential im Hinblick auf industrielle Anwendungen versprechen. Hierbei werden negativ geladene Goldnanopartikel (AuNP) durch elektrostatische Anziehung gezielt auf positiv geladene nanostrukturierte Block Copolymer Filme adsorbiert um zweidimensional geordnete Überstrukturen zu generieren. Die Einleitung führt den Leser in das Gebiet phasen-separierter Block Copolymer Filme, der Metallnanopartikel und den Theorien Coulombscher Wechselwirkungen auf der Nanoebene ein. Die Fabrikation eben erwähnter Block Copolymer Substrate sowie auch die Synthese der AuNPs eröffnen den Experimentellen Teil, worauf die Vorstellung neu entwickelter Methoden zur kontrollierten Absetzung von AuNPs auf Basis elektrostatischer Anziehung folgt. Erklärungen zur angewandten Analytik zwecks Materialcharakterisierung und Prozessverfolgung beenden diesen Teil. Zu Beginn des ersten Hauptkapitels (Kapitel 3) wird die Anfertigung dünner Filme, bestehend aus Polystyrol-block-poly-2-vinylpyridin (PS-b-P2VP) durch Lackschleudern erörtert. Anschließend wird die Phasenseparation dieser Filme anhand von Lösungsmitteldampf-Behandlung beschrieben, welche die Ausbildung nanometrischer Lamellen auf der Filmoberfläche zur Folge hat. In Kapitel 4 wird gezeigt dass man anhand nachmaliger Dampfbehandlung mit symmetrischen Dihalogeniden wie etwa Diiodbutan (DIB) oder Diiodpropan (DIP) die Stickstoffatome in den P2VP-Blöcken einer Quaternisierung unterziehen kann und diese somit gleichzeitig elektrostatisch auflädt (fortan "qP2VP"-Domänen). Abschließend folgt eine Studie variierender Reaktionsbedingungen zur Maximierung der Ladungsdichte in den qP2VP-Domänen.Kapitel 5 beschreibt zuerst die selektive Abscheidung von AuNPs auf qP2VP-Domänen anhand des Eintauchens der elektrostatisch geladenen Filme in AuNP-Lösung. Hierbei wurde gefunden, dass durch bloßes Eintauchen eine großflächige und selektive Abscheidung von AuNPs auf qP2VP-Domänen möglich ist. Gleiches konnte auch für hexagonal geordnete mizellare Filme selben Polymers gezeigt werden. Im zweiten Teil dieses Kapitels wird zum ersten Mal beschrieben, dass man mittels AuNP beladenen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Falten Areale einzelner zweidimensional geordneter AuNPs auf lamellare Block Copolymer Filme drucken kann. Je nachdem wie die Lamellen des Filmes und die Falten des PDMS-Stempels während des Druckens zueinander orientiert sind, können AuNP-Anordnungen unterschiedlicher Geometrie erhalten werden (Parallelogramme, Rechtecke). Im letzten Kapitel wird eine neue Methode vorgestellt die es ermöglicht die elektrostatisch getriebene selektive Adsorption der AuNPs auf qP2VP-Domänen anhand zeitaufgelöster elektrochemischer Impedanzspektroskopie zu verfolgen. Die daraus erhaltenen Ergebnisse zeigen dass die Menge adsorbierter AuNPs mit der Ladungsdichte in den qP2VP-Domänen korreliert und folglich über diese steuerbar ist. Schlussendlich werden noch kinetische Aspekte der Abscheidung und elektrochemische Prozesse an der Film/AuNP-Lösungs-Grenzfläche beleuchtet.