DE102010027063A9

DE102010027063A9 - Beschichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie

Info

Publication number: DE102010027063A9
Application number: DE102010027063A
Authority: DE
Inventors: Dr. Aktas Oral Cenk; Prof. Dr. Veith Michael; Cagri Kaan Akkan; Dipl.-Ing. Lee Juseok; Dipl. Chem. Ing. Miró Marina Martinez
Original assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-05-10
Also published as: EP2593579A1; WO2012007401A1; US20130101836A1; WO2012007401A8; DE102010027063A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Substrat mit einer Beschichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme, welche eine eindimensionale Kompositstruktur umfasst. Diese Beschichtungen eignen sich insbesondere als Absorptionsmittel, beispielsweise für Sonnenkollektoren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Substrat mit einer Beschichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme, sowie deren Verwendung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind viele energieabsorbierende Beschichtungen bekannt. Dabei bedeutet energieabsorbierend die Absorption von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Sonnenenergie, und deren Umwandlung in Wärme (photothermische Umwandlung). Dies betrifft insbesondere die Strahlung im Bereich des Sonnenspektrums unterhalb einer Wellenlänge von 2 bis 2,5 μm, insbesondere Strahlung im Bereich des Infraroten von 1,0 μm bis 2,5 μm.
Solche Beschichtungen sind in der Regel schwarz gefärbt, damit sie eine möglichst breite Absorption aufweisen. Gleichzeitig müssen sie allerdings auch eine geringe Reflexion und Eigenemission aufweisen, damit möglichst geringe Energieverluste auftreten. Bekannte Beschichtungen sind zum einen spezielle Lacke oder schwarz gefärbte Kunststoffe. Diese weisen allerdings meistens eine nur geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
Andere eingesetzte Beschichtungen sind metallische Beschichtungen, wie Schwarzchrom- oder Schwarznickelschichten. Diese müssen aber mit galvanischen oder chemischen Prozessen abgeschieden werden. Außerdem können sie nur auf bestimmte Substrate aufgebracht werden.
Es sind auch Kompositmaterialien bekannt, welche als Absorptionsmittel verwendet werden. Diese basieren meistens auf Plasmonresonanz von Kompositmaterialien, meistens Materialien mit eingelagerten Nanopartikeln. So können die optischen Eigenschaften dieser Materialien gut kontrolliert werden. So kann die Absorption durch die Schichtdicke, Partikelgröße, Partikelkonzentration, Partikelgröße, Partikelaussehen und Orientierung. Diese Kompositmaterialien werden meistens durch die Einlagerung von metallischen Nanopartikeln in einer keramischen Matrix erhalten, diese sind als cermets bekannt. Wenn die metallischen Partikel kleiner als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts sind, wird eine sehr schmale Absorptionsbande beobachtet. Die Wellenlänge des Absorptionsmaximums durch die Oberflächenplasmonresonanz (SPR surface plasmon resonance) der Partikel hängt von der Größe und der Form der Partikel und auch von der dielektrischen Umgebung der Partikel ab. Beim Vorliegen einer Größenverteilung von Partikeln kann es durch Superposition der Oberflächenplasmonresonanzen zur Ausbildung einer breiten Absorptionsbande kommen. Dabei führen besonders nichtsphärische Partikel zur Ausbildung von mehreren Oberflächenplasmonresonanzen für eine Partikel. So kann es bei unregelmäßig geformten Partikeln zur Ausbildung von breiten Absorptionsbanden kommen. Bei Partikeln mit zwei sehr unterschiedlichen Dimensionen, z. B. stabförmige Partikel, kann es zur Ausbildung von zwei ausgeprägten Absorptionen kommen. Eine korrespondiert mit der longitudinalen Plasmonresonanz und eine mit der transversalen Plasmonresonanz (plasmon splitting).
Durch diese Effekte können auch eindimensionale Kern-Hülle-Strukturen für solche Absorptionseffekte interessant sein, da diese Strukturen mindestens zwei sehr unterschiedliche Dimensionen aufweisen und damit zumindest zwei unterschiedliche Absorptionsbanden aufweisen. So beschreibt die Schrift US 7,420,156 metallische Nanodrähte als optische Bandpass-Filter. Die Struktur nutzt die Struktur der Nanodrähte, um die Absorption zu steuern.
Auch die Schrift US 7,603,003 beschreibt optische Anwendungen von Nanodrähten.
Die Anmeldung DE 10 2006 013 484 A1 der Anmelderin beschreibt die Herstellung eines Element/Elementoxid-Kompositmaterials, das heißt einem Material, das mindestens ein Element und das entsprechende Elementoxid enthält. Die Anmeldung offenbart ein solches Kompositmaterial in der Form von Nanodrähten, welche aus einem Metallkern umgeben von einer Oxidhülle bestehen. Diese lassen sich auf einfache Weise durch chemical vapor deposition (CVD) herstellen.
Die eindimensionale Kompositstruktur kann auch durch Bestrahlung mit einem Laser in Oxidschichten umgewandelt werden. Dies ist in der Anmeldung DE 10 2007 053 023 A1 beschrieben.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es ein beschichtetes Substrat bereitzustellen, welches die Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme effizient erlaubt. Als Substrat sollen dabei viele unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Die erhaltenen Schichten sollen auch bei sehr geringer Dicke eine hohe Absorption gewährleisten.
Lösung
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe wird durch Substrat mit einer Beschichtung gelöst, welche eine eindimensionale Kompositstruktur umfasst.
Dabei ist eine eindimensionale Kompositstruktur ein Komposit aus einem metallischen Kern und einer Metalloxid-Hülle. Die eindimensionale Kompositstruktur kann einen oder mehrere Nanodrähte des beschriebenen Aufbaus umfassen bzw. daraus bestehen. Neben diesen einfachen, linearen, kabelartigen, eindimensionalen Strukturen kann die eindimensionale Kompositstruktur alternativ oder zusätzlich eine oder mehrere verzweigte Strukturen umfassen bzw. daraus bestehen, die aus mehreren, astartig aufeinander aufgewachsenen Nanodrähten der linearen Form aufgebaut sind. Diese beiden Formen können auch als lineare bzw. verzweigte Nanodrähte bezeichnet werden. Bei der verzweigten Form können die metallischen Kerne der Drähte sich an den Verzweigungen berühren oder die Metallkerne können an den Verzweigungen durch die Metalloxidhülle voneinander getrennt sein. Die eindimensionale Kompositstruktur befindet sich auf dem Substrat und ist Teil der Beschichtung, bevorzugt stellt sie die einzige Beschichtung dar.
Die Nanodrähte besitzen insbesondere zwei Dimensionen, die im Bereich unterhalb von 200 nm liegen, z. B. im Bereich von 1 bis 200 nm und bevorzugt von 10 bis 100 nm, insbesondere etwa 20 bis 40 nm. Das Verhältnis von Breite zu Länge der Nanodrähte ist im Allgemeinen mindestens 1:3 und bevorzugt mindestens 1:5. Die dritte Dimension liegt in der Regel im Mikrometer und Submikrometerbereich. Der Querschnitt der Nanodrähte ist in der Regel annähernd kreisförmig. Die Nanodrähte der in der Beschichtung sind dabei zwischen 2 und 10 μm lang.
Die eindimensionale Kompositstruktur besteht aus einem Metall und einem Metalloxid, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Al, Ga, In oder Tl und das Oxid dann das Oxid des entsprechenden Metalls ist. Bevorzugt ist eine eindimensionale Kompositstruktur aus Aluminium und Aluminiumoxid (Al/Al₂O₃-Kompositstruktur).
Die eindimensionale Kompositstruktur kann geringe Mengen an Verunreinigungen, z. B. < 2% Kohlenstoff, z. B. als Carbide wie Al₄C₃, enthalten. Sie ist jedoch insbesondere frei von Rückständen von Templaten oder Katalysatoren.
Bevorzugt sind Nanodrähte, wie bereits aus DE 10 2006 013 848 A1 bekannt, wobei auf den Inhalt dieser Schrift explizit Bezug genommen wird.
Überraschender Weise wurde nun gefunden, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die eindimensionale Kompositstruktur in der Beschichtung eine Dicke von unter 1 μm aufweist, bevorzugt von unter 500 nm. Unabhängig davon liegt die Dicke bei über 50 nm, bevorzugt über 100 nm, besonders bevorzugt über 200 nm. Die Dicke kann zwischen 100 nm und 1 μm liegen, bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 300 und 500 nm. Die Dicke der Beschichtung ergibt sich dabei aus der Orthogonalen ausgehend von der Oberfläche des Substrats. Eindimensionale Kompositstrukturen mit einer Dicke in den angegebenen Bereichen weisen schon bei geringer Dicke eine hohe Absorption über einen breiten Wellenbereich auf und sind dabei deutlich resistenter gegenüber Abrasion als Schichten mit höherer Dicke, da es bei diesen zu einer Ablösung der eindimensionalen Kompositstruktur kommen kann.
Die eindimensionale Kompositstruktur zeigt eine Absorption über einen breiten Wellenlängenbereich. Dieser reicht von 240 nm bis hin zu 3 μm. Dies führt auch dazu, dass die beschichteten Substrate als schwarz wahrgenommen werden. Die Beschichtung besteht dabei im Wesentlichen aus rein anorganischen Anteilen, nämlich dem Element und dem entsprechenden Elementoxid. Gerade durch den Anteil an dem Element, bevorzugt ein Metall wie Aluminium, weist die eindimensionale Kompositstruktur eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf und ist daher in der Lage die absorbierte Strahlung sehr effizient auf das Substrat zu übertragen.
Der hohe anorganische Anteil sorgt auch dafür, dass die Beschichtung im Gegensatz zu Beschichtungen mit organischen Absorptionsmittel bis zu hohen Temperaturen stabil ist. So können solche Beschichtung auf über 400°C erhitzt werden, ohne dass eine Änderung der Absorption eintritt.
Als Substrate können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Metall, Legierung, Halbleiter, Keramik, Quarz, Glas oder Glasähnlich, bevorzugt Substrate sind Metalle oder Legierungen, wie Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Eisen, verchromte Oberflächen, und Glas oder glasähnliche Substrate. Bevorzugt sind wärmeleitende Substrate, wie Metalle, Legierungen, wie Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Eisen und verchromte Oberflächen. Dabei kann ein Substrat auch mit einer metallischen Schicht beschichtet sein.
Die Beschichtung kann auch noch weitere Schichten aufweisen. Bevorzugt ist, dass die Beschichtung im Wesentlichen aus der eindimensionalen Kompositstruktur, bevorzugt ausschließlich aus der eindimensionalen Kompositstruktur besteht.
Die eindimensionale Kompositstruktur wird bevorzugt durch ein MO-CVD-Verfahren (metal organic chamical vapour deposition) erhalten, welches folgend beschrieben wird.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Zur Herstellung der Beschichtung umfassend eine eindimensionale Kompositstruktur werden metallorganischen Vorläufer (Precursoren) in die Gasphase überführt und danach thermolytisch zersetzt, wobei das nichtflüchtige Zersetzungsprodukt sich in der Regel an oder auf dem Substrat anlagert. Die in der Erfindung eingesetzten Vorläufer besitzen die allgemeine Formel El(OR)_nH₂ wobei El Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb oder Zr bedeutet und R für einen aliphatischen oder alicyclischen Kohlenwasserstoffrest steht und n in Abhängigkeit von der Wertigkeit von El den Wert 1 oder 2 hat.
Der aliphatische und alicyclische Kohlenwasserstoffrest ist bevorzugt gesättigt und besitzt beispielsweise eine Länge von 1 bis 20 C-Atomen. Bevorzugt sind Alkyl oder unsubstituiertes oder Alkyl-substituiertes Cycloalkyl. Der Alkylrest besitzt vorzugsweise 2 bis 15 C-Atome, bevorzugt 3 bis 10 C-Atome und kann linear oder verzweigt sein, wobei verzweigte Alkylreste bevorzugt sind. Als Beispiele seien hier aufgeführt: Ethyl, n-Propyl, n-Butyl und die entsprechenden höheren linearen Homologe, Isopropyl, sek.-Butyl, Neopentyl, Neohexyl und die entsprechenden höheren Isoalkyl- und Neoalkylhomologe oder 2-Ethylhexyl. Die alicyclischen Ringe können einen, zwei oder mehr Ringe umfassen, die jeweils mit Alkyl substituiert sein können. Der alicyclische Rest besitzt vorzugsweise 5 bis 10, besonders bevorzugt 5 bis 8 C-Atome. Als Beispiele seien aufgeführt: Cyclopentyl, Cyclohexyl, Methylcyclohexyl, Norbonyl und Adamantyl.
Vorzugsweise kommen erfindungsgemäß Oxidverbindungen zum Einsatz, die keramische Oxide bilden.
Besonders bevorzugt sind Aluminiumalkoxydihydride, die verzweigte Alkoxyreste mit 4 bis 8 C-Atomen aufweisen, insbesondere Aluminium-tert.-butoxydihydrid. Die Herstellung solcher Verbindungen wird in DE 195 29 241 A1 beschrieben. Sie können beispielsweise durch Umsetzung von Aluminiumhydrid mit dem entsprechenden Alkohol im Molverhältnis 1:1 erhalten werden, wobei das Aluminiumhydrid in situ durch Reaktion eines Alkali-Aluminiumhydrids mit einem Aluminiumhalogenid hergestellt werden kann. Des Weiteren wird die Herstellung solcher Verbindungen auch von Veith et al. (Chem. Ber. 1996, 129, 381–384) beschrieben, wobei auch gezeigt wird, dass die Verbindungen der Formel El(OR)H₂ auch dimere Formen, wie z. B. (El(OR)H₂)₂, umfassen können. Besonders bevorzugt ist (^tBuOAlH₂)₂.
Die Verbindungen werden vorzugsweise in die Gasphase überführt und thermolytisch zersetzt, wobei das nicht flüchtige Zersetzungsprodukt in der Regel an oder auf einem Substrat in Form der Element/Elementoxid-Kompositstruktur gebildet wird. Als Substrate zum Aufbringen der Beschichtung kommen alle üblichen Materialien in Betracht welche inert gegenüber den Ausgangs- und Endprodukten sind. Die Thermolyse kann z. B. in einem Ofen, an einer induktiv beheizten Oberfläche oder an einer auf einem induktiv geheizten Probenträger befindlichen Oberfläche durchgeführt werden. Bei induktiver Heizung können lediglich leitfähige Substrate, wie beispielsweise Metalle, Legierung oder Graphit verwendet werden. Bei Substraten mit geringer Leitfähigkeit sollte bei induktiver Heizung ein elektrisch leitendender Substratträger oder Ofen verwendet werden. Die Heizung des Substrats kann auch durch Mikrowellen oder Laser erfolgen. Das Substrat kann daher sowohl eine Oberfläche des Reaktionsraums, als auch ein darin platziertes Substrat sein. Der eingesetzte Reaktorraum kann jede beliebige Gestalt aufweisen und aus jedem üblichen inerten Material bestehen, beispielsweise Duran- oder Quarzglas. Es können Reaktorräume mit heißen oder kalten Wänden verwendet werden. Die Heizung kann elektrisch oder mit anderen Mitteln erfolgen, vorzugsweise mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators. Der Ofen, sowie der Substratträger können beliebige Formen und Größen entsprechend der Art und Form des zu beschichtenden Substrats aufweisen, so kann das Substrat beispielsweise eine Platte, plane Oberfläche, röhrenförmig, zylindrisch, quaderförmig sein oder ein komplexere Form aufweisen.
Es kann vorteilhaft sein, den Reaktorraum vor dem Einleiten des Precursors mehrmals mit einem inerten Gas, vorzugsweise Stickstoff oder Argon, zu spülen. Außerdem kann es von Vorteil sein, gegebenenfalls ein zwischenzeitliches Vakuum anzulegen, um den Reaktorraum zu inertisieren.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, vor dem Einleiten des metallorganischen Vorläufers das zu beschichtende Substrat, beispielsweise Metall, Legierung, Halbleiter, Keramik, Quarz, Glas oder Glasähnlich, auf über 500°C zu erhitzen, um die Oberfläche zu reinigen.
Die gewünschte Element/Elementoxid-Kompositstruktur entsteht bevorzugt bei Temperaturen von über 400°C, besonders bevorzugt über 450°C. Bevorzugt sind Temperaturen von nicht über 1200°C, insbesondere nicht mehr als 600°C, z. B. 400°C bis 1200°C und vorzugsweise 450°C bis 650°C insbesondere bevorzugt 450°C bis 600°C, besonders bevorzugt bei 500 bis 600°C. Das Substrat auf bzw. an dem die Thermolyse stattfindet wird dementsprechend auf die gewünschte Temperatur erhitzt. Die Erzeugung der erfindungsgemäßen Element/Elementoxid-Kompositstruktur ist dabei unabhängig vom verwendeten Substratmaterial und dessen Beschaffenheit.
Die (metallorganische) Verbindung, bzw. der Precursor kann aus einem Vorratsgefäß, das bevorzugt auf eine gewünschte Verdampfungstemperatur temperiert ist, in den Reaktor eingeleitet werden. So kann es zum Beispiel auf eine Temperatur zwischen –50°C und 120°C, bevorzugt zwischen –10°C und 40°C temperiert sein. Die Thermolyse im Reaktorraum erfolgt in der Regel bei einem Unterdruck von 10^–6 mbar bis Atmosphärendruck, vorzugsweise in einem Bereich von 10^–4 mbar bis 10^–1 mbar, bevorzugt 10^–4 mbar bis 10^–2 mbar, besonders bevorzugt zwischen 5·10^–2 mbar und 2·10^–2 mbar. Zur Erzeugung des Vakuums kann ausgangsseitig ein Vakuumpumpensystem an den Reaktor angeschlossen werden. Es können alle üblichen Vakuumpumpen verwendet werden, bevorzugt ist eine Kombination aus Drehschieberpumpe und Turbomolekularpumpe oder eine Drehschieberpumpe. Zweckmäßigerweise ist auf der Seite des Reaktorraums das Vorratsgefäß für den Precursor angebracht und auf der anderen Seite das Vakuumpumpensystem.
Bei Erhitzung des Substrats durch Induktion können z. B. quadratzentimetergroße, elektrisch leitende Metallplättchen oder -folien als Substrat in einem Reaktionsrohr aus Duran- oder Quarzglas angeordnet werden. Bei Anpassung der Dimensionen der Apparatur sind ebenso Substratflächen im Bereich von Quadratdezimetern bis hin zu mehreren Quadratmetern möglich. An dem Reaktionsrohr sind eingangsseitig das auf die gewünschte Verdampfungstemperatur temperierte Vorratsgefäß mit dem Precursor und ausgangsseitig ein Vakuumpumpensystem angeschlossen. Das Reaktionsrohr befindet sich in einem Hochfrequenzinduktionsfeld, mit dessen Hilfe die Substratplättchen oder -folien auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden. Nach Einstellen des gewünschten Drucks und Einleiten des Precursors wird das Substrat mit der Element/Elementoxid-Kompositstruktur bedeckt.
Es ist vorteilhaft, die Flussrate des Precursors mit einem Ventil zu regulieren. Das Ventil kann manuell oder automatisch gesteuert werden.
Durch Variation eines oder mehrerer Prozessparameter ausgewählt aus Substrattemperatur, Gasdruck, Precursorvorlagentemperatur, Precursorfluss (Menge an eingeleitetem Precursor pro Zeiteinheit) und Bedampfungszeit kann die Morphologie der Element/Elementoxid-Kompositstruktur gesteuert werden.
Um die erfindungsgemäße Kompositstruktur zu erhalten ist beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 450°C und 600°C bei einem Druck zwischen 1·10^–2 bis 10·10^–2 mbar, bevorzugt zwischen 2·10^–2 bis 5·10^–2 mbar eine Bedampfungszeit von bis zu 10 Minuten.
Als Substrate können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Metall, Legierung, Halbleiter, Keramik, Quarz, Glas oder Glasähnlich, bevorzugt Substrate sind Metalle oder Legierungen, wie Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Eisen, verchromte Oberflächen, und Glas oder glasähnliche Substrate.
Die Struktur, Dichte und Dicke der eindimensionalen Kompositstruktur lässt sich, wie bereits beschrieben beispielsweise durch die Dauer der thermischen Zersetzung steuern.
So führt eine thermische Zersetzung des Precursors von nur 1 bis 5 Minuten nur zu einer geringen Belegung des Substrats mit der eindimensionalen Kompositstruktur. Eine längere thermische Zersetzung führt zu einer dichteren Belegung der Oberfläche des Substrats mit der eindimensionalen Kompositstruktur. Eine thermische Zersetzung von bis zu 10 Minuten führt zu einer eindimensionalen Kompositstruktur mit einer Dicke von 1 μm.
Mit Vorteil wird das Verfahren nur so lange durchgeführt, bis die eindimensionale Kompositstruktur eine Dicke von maximal 1 μm erreicht hat. Bevorzugt nur so lange bis eine Dicke von unter 500 nm erreicht wird, aber mindestens so lange bis eine Dicke von 50 nm, bevorzugt über 100 nm, besonders bevorzugt über 200 nm erreicht ist. Auf diese Weise können eindimensionale Kompositstrukturen mit einer Dicke zwischen 100 nm und 1 μm, bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 300 und 500 nm erhalten werden.
Die vorstehend beschriebene eindimensionale Kompositstruktur eignet sich besonders als Beschichtung für Anwendungen, bei denen die beschichteten Substrate zur Absorption von Strahlung und deren Umwandlung in Wärme eingesetzt werden sollen. Dies betrifft insbesondere die Absorption von Sonnenlicht, dort insbesondere der Infrarotanteil im Wellenlängenbereich von bis zu 2.5 μm, insbesondere zwischen 1.0 μm und 2.5 μm.
Dabei ist besonders vorteilhaft, dass sie auf einfache Weise auf unterschiedlich geformte und metallische Substrate aufgebracht werden kann.
Dies sind insbesondere Anwendungen im Bereich der Energiegewinnung aus Strahlung, wie z. B. Sonnenlicht. Dies sind beispielsweise solare Anwendungen, dies bedeutet Anwendungen, welche mit der Absorption von Sonnenlicht arbeiten. Dies können Sonnenkollektoren, Solarpanels, Wärmetauscher, Wärmespeicher, Kühlkreisläufe, Klimaanlagen, Wärmepumpen, Wärmemittel für Warmwasser oder Schwimmbäder sein.
Die Beschichtungen können auch als Filter auf durchsichtigen Oberflächen aufgebracht werden und erlauben so eine effiziente Filterung der Strahlung. Dabei ist es möglich durch die Struktur der Kompositstruktur das Absorptionsspektrum, insbesondere im Bereich von unter 300 nm zu beeinflussen. Die Beschichtung kann auch in Form eines Gradienten aufgebracht werden.
Desweiteren eignen sich die beschichteten Substrate auch als Oberflächen für SERS-Messungen (Surface enhanced Raman spectroscopy). Die dielektrische Struktur der Nanodrähte führt zu einer Intensivierung der Raman-Signale.
Dies betrifft auch die Verwendung im Bauwesen auf Oberflächen von Außen- oder Innenwänden, Dächern oder Teile von diesen, wie Mauerwerk, Dachziegel, Dachplatten, Fliesen, Fassadenverkleidungen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 REM-Aufnahmen (REM: Rasterelektronenmikroskop) von eindimensionalen Kompositstrukturen in (a) geringer, (b) mittlerer und (c) hoher Dichte;
2 Absorptionsspektren von eindimensionalen Kompositstrukturen aus 1 mit (a) geringer, (b) mittlerer und (c) hoher Dichte an Nanodrähten;
3 Absorptionsspektrum einer eindimensionalen Kompositstruktur mit einer Dicke zwischen 200 und 400 nm.
4 REM-Aufnahmen einer eindimensionalen Kompositstruktur in Aufsicht (a) und im Querschnitt (b).
5 Schema eines Aufbaus zur Messung der Strahlungs-Wärmeumwandlung;
6 Diagramm der Messung der Strahlungswärmeumwandlung.
1 zeigt REM-Aufnahmen von verschiedenen eindimensionalen Kompositstrukturen. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in ihrer Dichte an Nanodrähten und auch der Dicke der eindimensionalen Kompositstruktur auf dem jeweiligen Substrat. Diese ist über die Dauer der thermischen Zersetzung des Precursors auf dem Substrat steuerbar.
So wurde die Beschichtung mit geringer Dichte an Nanodrähten durch eine kurze thermische Zersetzungszeit von unter 1 Minute erhalten. Die Probe mit der mittleren Dichte an Nanodrähten wurde durch eine Zersetzungszeit von 5 Minuten erhalten. Die Probe mit einer hohen Dichte an Nanodrähten wurde mit einer Zersetzungszeit von über 10 Minuten erhalten.
So weisen die Proben mit einer geringen Dichte eine Dicke von 100 bis 200 auf. Die Proben mit mittlerer Dichte weisen eine Dicke von 200 bis 300 auf. Die Proben mit hoher Dichte weisen eine Dicke von bis zu 1 μm auf. Aufgrund der speziellen Struktur der eindimensionalen Kompositstruktur ist es möglich, dass auch Beschichtungen mit hoher Dichte, d. h. mit einer Dicke von bis zu 1 μm, bevorzugt bis 500 nm, eine sehr gute Absorption und einer guten Übertragung der Wärme auf das Substrat.
Auf den Figuren ist zu erkennen, dass die Nanodrähte nicht geordnet, sondern chaotisch auf dem Substrat aufwachsen.
2 zeigt Absorptionsspektren der Proben aus 1 im UV/VIS-Bereich. Dabei ist bei der Probe (a) mit der geringen Dichte die Plasmonresonanz bei 250 nm zu erkennen. Mit zunehmender Dichte verschiebt sich die Resonanz auf ca. 270 nm (Probe b). Bei noch höherer Dichte ist eine Verschiebung auf 280 nm zu beobachten. Dies deutet darauf hin, dass sich bei zunehmendem Wachstum der Nanodrähte die Form der absorbierenden Metallzentren verändert. Dieser Effekt kann beispielsweise für optische Filter genutzt werden. Die Lage der Absorptionsbande lässt sich dabei auf einfache Weise durch die Dicke steuern.
3 zeigt ein Absorptionsspektrum einer eindimensionalen Kompositstruktur für den Bereich zwischen 500 nm und 3 μm auf Glas mit einer Dicke zwischen 300 bis 500 nm.
4 zeigt REM-Aufnahmen einer eindimensionalen Kompositstruktur mit hoher Dichte in Aufsicht (a) und im Querschnitt (b). Deutlich ist eine Dicke von unter 1 μm zu erkennen.
5 zeigt einen Versuchsaufbau zur Bestimmung der Strahlungs-Wärmeumwandlung. Dazu wird ein Substrat (14), welches mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung (12) beschichtet ist mit einer Wärmelampe (10) bestrahlt. Dabei wird die Temperatur des Substrats durch ein Messgerät (16) gemessen. Die Veränderung der Temperatur des Substrats im Verlauf der Bestrahlung zeigt die Strahlungs-Wärmeumwandlungseigenschaften der Probe an.
6 zeigt eine Messung der Strahlungswärmeumwandlung mit einer Apparatur wie in 5 gezeigt. Dazu wurde in einem IR-Prüfstand (Industrie SerVis GmbH; 5x ((800 W) Lampen (Heraus); Abstand Lampe-Probe 80–100 mm; Pyrometer: Maurer) verwendet.
Als Proben wurden zwei Stahlsubstrate (20 mm × 20 mm × 2 mm) einmal ohne Beschichtung und einmal beschichtet mit einer eindimensionalen Kompositstruktur (Al/Al₂O₃ Nanodrähte) mit einer Dicke zwischen 400 nm und 500 nm. Nach der Beschichtung wurden Theremoelemente (Typ K) an der nicht bestrahlten Seite des Substrats angebracht um die Temperatur des Substrats während der Versuche zu messen, zu beobachten und aufzuzeichnen.
Die Versuche wurden mit einem schnellheizenden Ofen mit einer IR-Lampe durchgeführt. Der Ofen kontrolliert die Oberflächentemperatur der Probe mit einem Online-Pyrometer, welches die Leistung der IR-Lampen steuert. Während des Tests wurden die unbeschichteten und dem beschichteten Substraten in dem Ofen platziert und die Temperatur auf einen bestimmten Wert (175°C) eingestellt. Das angeschlossene Pyrometer kontrolliert dabei die Leistung der IR-Lampen. Da beide Proben nebeneinander im Ofen platziert waren, waren sie beide der gleichen Intensität an IR-Strahlung ausgesetzt. Dabei waren beide Proben mit je einem Pyrometer verbunden. Zur Untersuchung wurde das mit dem unbeschichteten Substrat verbundene Pyrometer darauf programmiert, diese Probe innerhalb von 15 Sekunden auf 175°C aufzuheizen. Dabei wurde der Temperaturanstieg auf der jeweiligen Rückseite der Substrate gemessen. 6 zeigt die gemessenen Temperaturen gegen die Zeit (in Sekunden). Die Kurven zeigen das beschichtete Substrat (1) und das unbeschichtete Substrat (2). Das beschichtete Substrat wird dabei in dem gleichen Heizzyklus deutlich wärmer. Dies zeigt die deutliche Verbesserung der Strahlungs-Wärmeumwandlung durch die eindimensionale Kompositstruktur.
Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar.
Bezugszeichenliste

10: Lampen
12: eindimensionale Kompositstruktur
14: Substrat
16: Pyrometer

zitierte Literatur

US 7,420,156
US 7,603,003
DE 10 2006 013 484 A1
DE 10 2007 053 023 A1
DE 195 29 241 A1
Veith et al. Chem. Ber. 1996, 129, 381–384

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7420156 [0006]
US 7603003 [0007]
DE 102006013484 A1 [0008]
DE 102007053023 A1 [0009]
DE 102006013848 A1 [0017]
DE 19529241 A1 [0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Veith et al. (Chem. Ber. 1996, 129, 381–384) [0028]

Claims

Substrat mit einer Beschichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine eindimensionale Kompositstruktur umfasst.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eindimensionale Kompositstruktur eine Dicke von unter 1 μm aufweist.
Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die eindimensionale Kompositstruktur eine Element/Elementoxid-Struktur ist.
Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eindimensionale Kompositstruktur eine Al/Al₂O₃-Kompositstruktur ist.
Verwendung eines beschichteten Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Absorptionsmittel in solaren Anwendungen, Sonnenkollektoren, Wärmetauschern, Wärmekopplern, Lichtschutzbeschichtungen, in optischen Filtern, als SERS-Substrat.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrats zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme umfassend eine thermische Zersetzung eines Precursors der Formel El(OR)_nH₂ wobei El Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb oder Zr bedeutet und R für einen aliphatischen oder alicyclischen Kohlenwasserstoffrest steht und n in Abhängigkeit von der Wertigkeit von El den Wert 1 oder 2 hat, auf dem einem Substrat unter Bildung einer eindimensionalen Kompositstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Zersetzung bis zum Erreichen einer Schichtdicke der eindimensionalen Kompositstruktur von unter 1 μm durchgeführt wird.