DE102010032747B4 - Process for the solar production of nanowires with a catalyst - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten, wobei man ein festes, auf wenigstens einer Seite mit einem Katalysator beschichtetes Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1500°C erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass man die benötigte Wärmeenergie durch konzentrierte Solarstrahlung einbringt, wodurch Moleküle oder Atome aus dem Substrat in die Gas-Phase übertreten und die so erhaltenen Moleküle oder Atome anschließend auf dem Katalysator in Form von Nanodrähten in einer CO2-haltigen Atmosphäre abgeschieden werden.Process for the production of nanowires, in which a solid substrate, coated on at least one side with a catalyst, is heated to a temperature in the range from 600 ° C. to 1500 ° C., characterized in that the required thermal energy is introduced by concentrated solar radiation, resulting in molecules or atoms from the substrate pass into the gas phase and the molecules or atoms thus obtained are then deposited on the catalyst in the form of nanowires in a CO2-containing atmosphere.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur solarthermischen Herstellung von Nanodrähten, insbesondere von Siliciumdioxid-Nanodrähten. Hierbei werden glasfaserartige Strukturen erzeugt, die über besondere mechanische, elektrische und optische Eigenschaften verfügen.The invention relates to a process for the solar thermal production of nanowires, in particular of silicon dioxide nanowires. This glass fiber-like structures are produced, which have special mechanical, electrical and optical properties.

Die Nanotechnologie gilt als Zukunftstechnologie schlecht hin. Die besonderen mechanischen, optischen, magnetischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften der Nanomaterialien hängen in besonderer Weise von ihrer Größe und Gestalt ab. Schon heute spielen die Nanomaterialien, die zu meist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt werden, eine wichtige Rolle. Einige davon sind bereits kommerziell verfügbar und werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung. Ebenfalls bedeutend ist die Nanoelektronik.Nanotechnology is considered a bad technology for the future. The particular mechanical, optical, magnetic, electrical and chemical properties of the nanomaterials depend in particular on their size and shape. Even today, nanomaterials, which are mostly produced by chemical means or by mechanical methods, play an important role. Some of them are already commercially available and used in commercial products, others are important model systems for physicochemical and materials science research. Also important is nanoelectronics.

Zu den derzeit wichtigsten nanotechnologischen Produkten im weitesten Sinne zählen viele Pigmente und Additive für Lacke und Kunststoffe, wie beispielsweise hochdisperse Kieselsäuren oder Ruß. Außerdem gibt es seit kurzer Zeit auch Kleidungsstücke, die eine Nanobeschichtung aufweisen und somit schmutzabweisend wirken (Lotuseffekt).Currently, the most important nanotechnology products in the broadest sense include many pigments and additives for paints and plastics, such as highly disperse silicas or carbon black. In addition, there have recently been garments that have a nano-coating and thus have a dirt-repellent effect (lotus effect).

Die Momentan absehbaren Ziele der Nanotechnologie im Bereich der Informationstechnik liegen in der Miniaturisierung der Halbleiterstrukturen. Auch die Herstellung immer kleinerer Bauteile in der Optoelektronik ist sicher zu erwarten.The currently foreseeable goals of nanotechnology in the field of information technology are the miniaturization of semiconductor structures. Also, the production of ever smaller components in optoelectronics is to be expected.

In der Medizin bieten Nanopartikel die Möglichkeit, neuartige Diagnostika und Therapeutika zu entwickeln, beispielsweise Kontrastmittel für bildgebende Verfahren der Computertomographie oder Magnetresonanztherapie, sowie neue Medikamente mit Nanopartikeln als Wirkstoffträger oder Wirkstoffdepot. Oberflächen aus Nanostrukturen bieten weiterhin die Möglichkeit, langlebige, biokompatible Implantate zu entwickeln.In medicine, nanoparticles offer the opportunity to develop novel diagnostics and therapeutics, such as contrast agents for computed tomography imaging or magnetic resonance therapy, as well as new drugs with nanoparticles as drug carriers or drug depots. Nanostructured surfaces continue to provide the opportunity to develop long-lasting, biocompatible implants.

Aber auch Probleme des Alltags werden von der Nanotechnologie bearbeitet. Dies betrifft beispielsweise den bereits genannten Lotuseffekt, der selbstreinigende Oberflächen ermöglicht. Auch als Schutzanstrich beispielsweise von Karosserien wird die Nanotechnologie im Autobau derzeit verwendet. Auch der Schutz vor ultravioletter Strahlung in modernen Sonnencremes besteht aus nanoskaligem Titandioxid.But also everyday problems are handled by nanotechnology. This applies, for example, to the aforementioned lotus effect, which allows self-cleaning surfaces. Also as a protective coating, for example, of bodies, nanotechnology is currently used in car manufacturing. The protection against ultraviolet radiation in modern sunscreens consists of nanoscale titanium dioxide.

Die besonderen Eigenschaften der Nanomaterialien sind auch von deren Zusammensetzung abhängig. Halbleitenden Materialien weisen nicht nur im Nanometermaßstab interessante elektronische und optische Eigenschaften auf, was ihren Einsatz in Schaltkreisen oder in der Optoelektronik (Leuchtdioden, Halbleiterlaser) begründet. Eine wichtige Rolle spielt hier Silicium. Der Vorteil bei der Herstellung von Siliciumnanopartikeln besteht darin, dass hier im Gegensatz zu III-V-Halbleitern oder II-VI-Halbleitern keine toxischen Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Cadmium oder Selen, verwendet werden müssen.The special properties of nanomaterials also depend on their composition. Semiconducting materials have interesting electronic and optical properties not only on the nanometer scale, which justifies their use in circuits or in optoelectronics (light-emitting diodes, semiconductor lasers). Silicon plays an important role here. The advantage in the production of silicon nanoparticles is that in contrast to III-V semiconductors or II-VI semiconductors no toxic starting materials, such as cadmium or selenium, must be used.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen bekannt. Bei der Laserablation werden Pulvermischungen aus Silicium und Siliciumdioxid verdampft. Dabei entsteht gasförmiges Siliciummonoxid. Durch eine anschließende Disproportionierung von Siliciummonoxid werden dann die Siliciumdioxid-Nanodrähte erzeugt.Different methods for producing nanostructures are known from the prior art. In laser ablation, powder mixtures of silicon and silicon dioxide are vaporized. This produces gaseous silicon monoxide. Subsequent disproportionation of silicon monoxide then generates the silica nanowires.

Daneben haben sich katalytische Verfahren etabliert. Als Katalysator werden häufig Eisen- oder Nickel-haltige Verbindungen eingesetzt. Diese wirken dabei als Keime, an denen die Nanodrähte dann wachsen. Im Vergleich zur Laserablation ist hier der Energiebedarf geringer. Allerdings ist eine Abtrennung der Nanopartikel vom Katalysator notwendig.In addition, catalytic processes have become established. As a catalyst, iron or nickel-containing compounds are often used. These act as germs on which the nanowires then grow. Compared to laser ablation, the energy requirement is lower here. However, a separation of the nanoparticles from the catalyst is necessary.

Anwendungen findet auch die Verwendung von Templaten. Hier werden häufig Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nano tubes, CNTs) oder andere Nanoröhrchen als Template eingesetzt. Diese Strukturen dienen dann als eine Art Gerüst für das Wachstum der Siliciumdioxid-Nanodrähte. Bei der Verwendung von CNTs reagiert der Kohlenstoff mit gasförmigen Siliciummonoxid zu Siliciumdioxid, welches dann die gewünschte Drahtstruktur ausbildet.Applications also find the use of templates. Here, carbon nanotubes (CNTs) or other nanotubes are often used as templates. These structures then serve as a sort of framework for the growth of the silica nanowires. When using CNTs, the carbon reacts with gaseous silicon monoxide to form silica, which then forms the desired wire structure.

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) werden Siliciumhaltige, organische Verbindungen thermisch zersetzt. Auch hierbei gelangt Silicium in die Gasphase, wird oxidiert, und bildet anschließend die gewünschte Nanodrähte aus.In chemical vapor deposition (CVD), silicon-containing organic compounds are thermally decomposed. Here, too, silicon enters the gas phase, is oxidized, and then forms the desired nanowires.

Die Aktivierung von Siliciummonoxid in der Gasphase wird in US 6,313,015 B1 beschrieben. Durch thermische Anregung, Laserablation, Plasma- oder Magnetronsputtern wird Siliciummonoxid aktiviert. Die Siliciumdioxid-Nanodrähte scheiden sich auf einer kalten Oberfläche (cold finger) nieder. Die Reaktion findet in einer Argonatmosphäre bei 500 torr und 1.200°C statt.The activation of silicon monoxide in the gas phase is in US 6,313,015 B1 described. Thermal stimulation, laser ablation, plasma or magnetron sputtering activates silicon monoxide. The silica nanowires deposit on a cold finger. The reaction takes place in an argon atmosphere at 500 torr and 1200 ° C.

Metallische Nanodrähte mit einer Hülle aus einem Oxid und deren Herstellungsverfahren beschreibt WO 2008/011920 A1 . Hier werden eindimensionale Kompositstrukturen beschrieben, die mindestens einen Nanodraht, umfassend einen metallischen Kern, der mit einem Metalloxid ummantelt ist, oder mindestens eine verzweigte Struktur, die aus solchen Nanodrähten aufgebaut ist, umfassen. Beschrieben ist außerdem ein katalysatorfreies MO-CVD-Verfahren bei dem metallorganische Verbindungen zu diesen Strukturen zersetzt werden können.Metallic nanowires with a shell of an oxide and their method of preparation describes WO 2008/011920 A1 , Here, one-dimensional composite structures are described which comprise at least one nanowire comprising a metallic core encased in a metal oxide or at least one branched structure consisting of such Nanowires is constructed, include. Also described is a catalyst-free MO-CVD process in which organometallic compounds can be decomposed into these structures.

Einen Nanodraht mit einem Durchmesser von 1 nm bis 500 nm, umfassend ein Übergangsmetalloxid, ist aus EP 1 421 026 81 bekannt. Diese Nanofasern aus einem Übergangsmetall werden aus einer Lösung hergestellt, in welcher die metallischen Präkursoren zersetzt werden. Hierfür können auch entsprechende Liganden als Hilfsstoffe eingesetzt werden.A nanowire having a diameter of 1 nm to 500 nm comprising a transition metal oxide is made EP 1 421 026 81 known. These transition metal nanofibers are made from a solution in which the metallic precursors are decomposed. For this purpose, corresponding ligands can be used as auxiliaries.

Übergangsmetalloxid-Nanodrähte sind auch aus der WO 2003/053 851 A2 bekannt. Die hier beschriebenen Drähte bestehen aus Metalloxiden, welche Oxide der Gruppe II, III, IV und Lanthanide umfassen. Die Nanodrähte werden in Lösung hergestellt.Transition metal oxide nanowires are also from the WO 2003/053 851 A2 known. The wires described herein are made of metal oxides comprising Group II, III, IV, and lanthanide oxides. The nanowires are manufactured in solution.

Die Herstellung von Silicium-Nanodrähten ist aus KR 10 2006 0027968 A bekannt. Hier wird ein Silicium-Substrat mit einem Nickelsalz und einem polaren Lösungsmittel beschichtet. Durch Erhitzen des Substrates auf 1.000 bis 1.200°C entstehen die Silicium-Nanodrähte.The production of silicon nanowires is out KR 10 2006 0027968 A known. Here, a silicon substrate is coated with a nickel salt and a polar solvent. By heating the substrate to 1,000 to 1,200 ° C, the silicon nanowires.

Ein weiteres Herstellungsverfahren für Silicium-Nanopartikel ist in US 2010/0 065 809 A1 beschrieben. Auch hier wird ein Silicium-Substrat mit einem metallischen Katalysator beschichtet. Das Wachstum der Nanodrähte erfolgt hier in einem VLS(vapor liquid solid)-Prozess oder einem SLS(solid liquid solid)-Prozess.Another manufacturing method for silicon nanoparticles is in US 2010/0 065 809 A1 described. Again, a silicon substrate is coated with a metallic catalyst. The nanowires are grown in a VLS (vapor liquid solid) process or a SLS (solid liquid solid) process.

Auch in der Forschung ist die Herstellung von Siliciumnanodrähten ein interessantes Thema. Die Herstellung koaxialer Nanodrähte mit einem Kern aus Siliciumcarbid und einer Hülle aus amorphum Siliciumoxid beschreibt D. F. Liu et al.: A simple large-scale systhesis of coaxial nanocables: silicon carbide sheathed with silicon oxide, Chemical Physics Letters 375 (2003), 269–272. Die direkte Herstellung von Siliciumcarbidnanodrähten durch VS(vapor solid)- Wachstum wird von X. W. Du et al. (Direct synthesis of SiC nanowires by multiple reaction VS growth, Material science and engineering B 136 (2007) 72–77) beschrieben.The production of silicon nanowires is also an interesting topic in research. The preparation of coaxial nanowires with a core of silicon carbide and an envelope of amorphous silicon oxide is described by DF Liu et al .: A simple large-scale system of coaxial nanocables: silicon carbide sheathed with silicon oxide, Chemical Physics Letters 375 (2003), 269-272 , Direct production of silicon carbide nanowires by VS (vapor solid) growth is described by X.W. Du et al. (Direct synthesis of SiC nanowires by multiple reaction VS growth, Material science and engineering B 136 (2007) 72-77).

Ein SLS(solid liquid solid)-Mechanismus zur Herstellung von Silicium-Nanodrähten wird auch von E. P. Lee et al. (Device fabrication with solid-liquid-solid grown silicon nanowires, Nanotechnology 19 (2008) 185701) beschrieben. Mit Hilfe eines Nickel-Katalysators werden aus Siliciumwafern Nanodrähte gewonnen, welche einen Kern aus kristallinem Silicium aufweisen, welcher von einer Oxidschicht umgeben ist.A solid liquid solid (SLS) mechanism for making silicon nanowires is also described by E.P. Lee et al. (Device fabrication with solid-liquid-solid grown silicon nanowires, Nanotechnology 19 (2008) 185701). With the aid of a nickel catalyst, nanowires are obtained from silicon wafers, which have a core of crystalline silicon which is surrounded by an oxide layer.

Aus US 7,757,371 B2 , insbesondere die Spalte 4/Zeile 51 bis Spalte 5/Zeile 33 sowie den 1 bis 3 mit zugehörigem Text ist ein Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten bekannt, wobei man ein Substrat auf eine hohe Temperatur erwärmt, wodurch Moleküle oder Atome auf dem Katalysator in Form von Nanodrähten abgeschieden werden. Die Reaktionskammer und die Wärmeenergiezufuhr werden hier nicht konkret beschrieben.Out US 7,757,371 B2 , in particular the column 4 / line 51 to column 5 / line 33 and the 1 to three with accompanying text, a method of making nanowires is known by heating a substrate to a high temperature, thereby depositing molecules or atoms on the catalyst in the form of nanowires. The reaction chamber and the heat energy supply are not described specifically here.

J. M. Gordon et al: ”Singular MoS2, SiO2 and Si nanostructures-synthesis by solar ablation” J. Mater. Chem., 18, pp. 458–462 (2008) offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumdioxid-Nanodrähten, wobei dort ein Reaktor mit Zufuhr solarer Wärmeenergie zum Einsatz kommt. Hier werden pulverförmige Basismaterialien in einer Ampulle eingeschlossen, die zuvor evakuiert wurde.JM Gordon et al: "Singular MoS 2 , SiO 2 and Si nanostructures-synthesis by solar ablation" J. Mater. Chem., 18, pp. 458-462 (2008) discloses a method of making silica nanowires employing a solar thermal energy delivery reactor. Here, powdery base materials are enclosed in an ampule which was previously evacuated.

Allen diesen Herstellungsverfahren ist gemein, dass sie einen hohen Energiebedarf haben. Dieser wird üblicherweise durch Verbrennung fossiler Energieträger gedeckt. Dies führt dazu, dass die Herstellung von Siliciumdioxid-Nanodrähten in großen Mengen teuer ist. Zudem fallen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe große Mengen CO2, einem Treibhausgas, an.All these production methods have in common that they have a high energy requirement. This is usually covered by burning fossil fuels. As a result, the production of silica nanowires in large quantities is expensive. In addition, the burning of fossil fuels generates large quantities of CO 2 , a greenhouse gas.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein Verfahren bereit zu stellen, mit welchem kostensparend auch große Mengen an Siliciumdioxid-Nanodrähten bereitgestellt werden können. Weiterhin soll der Ausstoß an CO2 reduziert werden.The object of the present invention is therefore to provide a method by which large quantities of silicon dioxide nanowires can be provided in a cost-saving manner. Furthermore, the emission of CO 2 should be reduced.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten, wobei man ein festes, auf wenigstens einer Seite mit einem Katalysator beschichtetes Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1500°C erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass man die benötigte Wärmeenergie durch konzentrierte Solarstrahlung einbringt, wodurch Moleküle oder Atome aus dem Substrat in die Gas-Phase übertreten und die so erhaltenen Moleküle oder Atome anschließend auf dem Katalysator in Form von Nanodrähten in einer CO2-haltigen Atmosphäre abgeschieden werden.The object of the present invention is achieved by a method for producing nanowires, wherein a solid, coated on at least one side with a catalyst substrate is heated to a temperature in the range of 600 ° C to 1500 ° C, characterized in that the Required thermal energy introduced by concentrated solar radiation, whereby molecules or atoms from the substrate in the gas phase to pass and the resulting molecules or atoms are then deposited on the catalyst in the form of nanowires in a CO 2 -containing atmosphere.

Solare Strahlungsenergie ist nahezu unbegrenzt und, abgesehen von den einmaligen Investitionskosten, dauerhaft kostenlos verfügbar. Die hohen erforderlichen Temperaturen können durch Konzentration der Strahlung problemlos erreicht werden. Daher sind bei Einsatz der Erfindung auf Dauer erhebliche Kosteneinsparungen in der Herstellung von elektronischen oder optischen Bauteilen möglich.Solar radiation energy is almost unlimited and, apart from the one-time investment costs, permanently available free of charge. The high temperatures required can be easily achieved by concentrating the radiation. Therefore, when using the invention in the long term significant cost savings in the production of electronic or optical components possible.

Durch die Einbindung konzentrierter Solarstrahlung in den Produktionsprozess elektronischer oder optischer Bauteile kann bei deren Herstellung kostengünstig und umweltfreundlich gearbeitet werden. Die erforderliche Reaktionswärme zur Erzeugung von Nanodrähten wurde bisher durch elektrische Öfen bereitgestellt. Der Strom hierfür stammt zum Großteil aus fossilen Kraftwerken oder Kernenergie. Daher ist die gesamte Wertschöpfungskette bei der Erzeugung dieser Materialien mit erheblichen Energieverlusten behaftet. Der fossil erzeugte Strom ist zudem nicht klimaneutral, da hier große Mengen CO2 freigesetzt werden.By integrating concentrated solar radiation into the production process of electronic or optical components, they can be produced cost-effectively and in an environmentally friendly manner during their production become. The required heat of reaction to produce nanowires has heretofore been provided by electric ovens. Most of the electricity comes from fossil power plants or nuclear energy. Therefore, the entire value chain in the production of these materials is associated with significant energy losses. In addition, the fossil-generated electricity is not climate-neutral, as large amounts of CO 2 are released here.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine klimaverträglichere Produktion von elektronischen oder optischen Bauteilen ermöglicht, da die Reaktionswärme die direkt aus solarer Strahlungsenergie stammt. Der Umweg der elektrischen Beheizung, mit den dargelegten Nachteilen, wird damit umgangen.The present invention enables a more environmentally friendly production of electronic or optical components, since the heat of reaction comes directly from solar radiation energy. The detour of the electric heating, with the disadvantages outlined, is thus bypassed.

Durch das Erwärmen des Substrats treten Moleküle oder Atome aus dem Substrat in die Gasphase über. Diese scheiden sich anschließend auf dem Katalysator in Form von Nanodrähten ab. Die Abscheidung und somit Ausbildung der Nanodrähte erfolgt bevorzugt im kälteren Teil des Reaktors und somit häufig am Rande des eingesetzten Substrats. Die gasförmigen Ausgangsstoffe reagieren am Katalysator und die Reaktionsprodukte werden dann in Form von Nanodrähten abgeschieden.By heating the substrate, molecules or atoms from the substrate pass into the gas phase. These then deposit on the catalyst in the form of nanowires. The deposition and thus formation of the nanowires is preferably carried out in the colder part of the reactor and thus often at the edge of the substrate used. The gaseous starting materials react on the catalyst and the reaction products are then deposited in the form of nanowires.

Zur Herstellung von Nanodrähten muss das Substrat auf entsprechend hohe Temperaturen erwärmt werden, damit ein Austritt der Moleküle oder Atome aus dem Substrat in die Gasphase möglich ist. Hierfür wird das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1.500°C, bevorzugt in einem Bereich von 800°C bis 1.200°C erwärmt.For the production of nanowires, the substrate must be heated to suitably high temperatures so that the molecules or atoms can escape from the substrate into the gas phase. For this purpose, the substrate is heated to a temperature in the range of 600 ° C to 1500 ° C, preferably in a range of 800 ° C to 1200 ° C.

1 zeigt eine Prozesskette zur Erzeugung von Nanodrähten unter Verwendung konzentrierter Solarstrahlen. Das entsprechende erfindungsgemäße Verfahren kann dann als Teilschritt einer Prozesskette zur Herstellung beispielsweise von Elektronikprodukten betrieben werden. 1 shows a process chain for the production of nanowires using concentrated solar beams. The corresponding method according to the invention can then be operated as a substep of a process chain for the production of, for example, electronic products.

2 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau eines Reaktors zum Wachstum von Nanodrähten. 2 shows schematically a possible structure of a reactor for the growth of nanowires.

In einem Prozess, wie in 1 dargestellt, wird zunächst ein Substrat, beispielsweise ein Wafer, aus einem geeigneten Siliciuminfiltriertem Siliciumcarbid(Si-SiC)-Substrat erzeugt. Dieses Substrat wird anschließend mit einem Katalysator beschichtet. Anschließend wird das Si-SiC Substrat mit Hilfe konzentrierte Solarstrahlung auf die benötigte Temperatur im Bereich von 600°C bis 1500°C erwärmt, wodurch es zur Ausbildung der Siliciumdioxid-Nanodrähte kommt. Schließlich kann der Katalysator wieder abgetrennt und rezykliert werden. Als Produkt erhält man die Siliciumdioxid-Nanodrähte.In a process like in 1 1, a substrate, for example a wafer, is first produced from a suitable silicon-infiltrated silicon carbide (Si-SiC) substrate. This substrate is then coated with a catalyst. Subsequently, the Si-SiC substrate is heated with the aid of concentrated solar radiation to the required temperature in the range of 600 ° C to 1500 ° C, which leads to the formation of the silicon dioxide nanowires. Finally, the catalyst can be separated again and recycled. The product obtained is the silica nanowires.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auch kontinuierlich betrieben werden. Hier wird das Substrat kontinuierlich in den mit konzentriertem Sonnenlicht bestrahlten Reaktionsraum gefördert und an anderer Stelle wieder entfernt.A method according to the invention can also be operated continuously. Here, the substrate is continuously conveyed in the irradiated with concentrated sunlight reaction space and removed elsewhere.

Das im Herstellungsverfahren verwendete Substrat ist ein Siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (Si-SiC). Dieses liegt beispielsweise in Form eines Wafers vor. Es können jedoch auch Pelletts, Parallelkanalmonolithen, Schaumstrukturen oder andere Formkörper, welche Siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid aufweisen, verwendet werden. Diese Materialien eigenen sich in besonderer Weise, da hier bei den entsprechenden Temperaturen Silicium-Atome leicht in die Gasphase übertreten. Zudem können sie auch in einem kontinuierlichen Verfahren eingesetzt werden.The substrate used in the manufacturing process is a silicon-infiltrated silicon carbide (Si-SiC). This is for example in the form of a wafer. However, pellets, parallel channel monoliths, foam structures or other shaped articles comprising silicon-infiltrated silicon carbide may also be used. These materials are particularly suitable because here at the corresponding temperatures, silicon atoms easily pass into the gas phase. In addition, they can also be used in a continuous process.

Weiterhin können erfindungsgemäße Substrate geeignet mit dem Katalysator beschichtet werden. Diese werden mit einem eisenund/oder nickelhaltigen Katalysator beschichtet. Insbesondere eignen sich unterstöchiometrische Nickelferrite NixFe3-xO4 als Katalysator. Diese Katalysatoren weisen eine gute Haftung auf den genannten Substraten auf. Auf Grund der Kristallstruktur der Nickelferrite kann ein epitaktisches Wachstum stattfinden, das heißt die kristallographische Orientierung der aufwachsenden Nanodrähte kann der der Ferrite entsprechen. Es bilden sich Nanodrähte, welche bei einem Durchmesser im Bereich von 15 bis 150 nm eine Länge im Bereich von 1 bis 20 μm aufweisen.Furthermore, substrates according to the invention can be suitably coated with the catalyst. These are coated with an iron and / or nickel-containing catalyst. In particular, substoichiometric nickel ferrites Ni x Fe 3-x O 4 are suitable as catalyst. These catalysts have good adhesion to the substrates mentioned. Due to the crystal structure of the nickel ferrites, an epitaxial growth can take place, ie the crystallographic orientation of the growing nanowires can correspond to that of the ferrites. Nanowires form, which have a length in the range from 1 to 20 μm with a diameter in the range of 15 to 150 nm.

Auf der Katalysatoroberfläche scheiden sich die Nanodrähte ab, diese werden dann von dem Katalysator abgetrennt. Der Katalysator kann anschließend erneut in einem Wachstumsprozess für Nanodrähte eingesetzt werden.On the catalyst surface, the nanowires separate, these are then separated from the catalyst. The catalyst can then be reused in a growth process for nanowires.

Der Katalysator befindet sich auf dem Substrat, beispielsweise auf einem Wafer. Der präparierte Wafer wird dann in einem hitzebeständigem Gehäuse bestrahlt, wie es in 2 dargestellt ist. Die konzentrierte Solarstrahlung trifft durch eine Quarzglasscheibe auf den Wafer. Dadurch wird in das Innere des Gehäuses ausreichend Reaktionswärme eingetragen und die benötigte Reaktionstemperatur erreicht.The catalyst is located on the substrate, for example on a wafer. The prepared wafer is then irradiated in a heat-resistant housing, as in 2 is shown. The concentrated solar radiation hits the wafer through a quartz glass pane. As a result, sufficient heat of reaction is introduced into the interior of the housing and the required reaction temperature is reached.

Enthält ein entsprechender Aufbau beispielsweise eine Fördereinrichtung für den Wafer, so kann das Verfahren kontinuierlich betrieben werden. Die Wachstumsreaktion läuft innerhalb weniger Sekunden ab, so dass kein langer Verbleib des Substrats im Bereich der konzentrierten Solarstrahlung, also im Bereich der benötigten Temperaturen, notwendig ist. So kann auch beispielsweise mit Si-SiC-Pellets kontinuierlich gearbeitet werden. Auf Grund der kurzen Reaktionszeit bilden sich Nanodrähte aus, wenn man Pellets über eine Schüttvorrichtung in den Reaktionsraum einbringt und diese durch den Reaktionsraum fallen. Auf Grund der kurzen Reaktionszeiten reicht die Falldauer zur Ausbildung der Nanodrähte aus.Contains a corresponding structure, for example, a conveyor for the wafer, the process can be operated continuously. The growth reaction takes place within a few seconds, so that no long stay of the substrate in the area of concentrated solar radiation, ie in the range of the required temperatures, is necessary. Thus, it is also possible, for example, to work continuously with Si-SiC pellets. Due to the short reaction time, nanowires form when pellets are introduced into the reaction space via a bulk material and they fall through the reaction space. Due to the short reaction times, the duration of the fall is sufficient for the formation of the nanowires.

Die Herstellung der Nanodrähte erfolgt in einer CO2-haltigen Atmosphäre. Hier kann aus dem Substrat ausgetretenes Silicium mit dem CO2 reagieren, wodurch das Wachstum der Nanodrähte gefördert wird.The nanowires are produced in a CO 2 -containing atmosphere. Here, silicon leaked from the substrate can react with the CO 2 , thereby promoting the growth of the nanowires.

In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch die Herstellung von Siliciumdioxid-Nanodrähten.In a further embodiment, the object underlying the present invention is achieved by the production of silicon dioxide nanowires.

Ausführungsbeispielembodiment

Zur Herstellung von Siliciumdioxid-Nanodrähten wurde als Substrat eine keramische Wabenstruktur verwendet. Diese bestand aus Siliciuminfiltriertem Siliciumcarbid. Bei diesem Material ist in den Zwischenräumen der Siliciumcarbidmatrix metallisches Silicium eingelagert, wodurch das Werkstück völlig porenfrei ist. Diese Wabenstruktur wurde dann mit Katalysator beschichtet. In einer Hochtemperatur-Feststoffreaktion wurden die Oxide NiO, ZnO und Fe2O3 zum Spinell umgesetzt. Das erhaltene Ni0,8Zn0,2Fe2O4 wurde als Aktivmaterial (Katalysator) auf die Wabenstruktur aufgetragen.For the production of silicon dioxide nanowires, a ceramic honeycomb structure was used as the substrate. This was silicon-infiltrated silicon carbide. In this material, metallic silicon is embedded in the interstices of the silicon carbide matrix, whereby the workpiece is completely free of pores. This honeycomb structure was then coated with catalyst. In a high-temperature solid-state reaction, the oxides NiO, ZnO and Fe 2 O 3 were converted to spinel. The resulting Ni 0.8 Zn 0.2 Fe 2 O 4 was applied as an active material (catalyst) on the honeycomb structure.

Die Reaktion wurde in einer CO2/N2/O2-Atmosphäre durchgeführt, wobei die Konzentration von CO2 bei 1, 3 oder 5% lag. Die Sauerstoffkonzentration befand sich im Bereich weniger Promille (1 bis 10 Promille). Die Temperatur des Substrats wurde auf 800, 900, 1.000 und 1.100°C eingestellt.The reaction was carried out in a CO 2 / N 2 / O 2 atmosphere, the concentration of CO 2 being 1, 3 or 5%. The oxygen concentration was in the range of less than 1 part per thousand (1 to 10 parts per thousand). The temperature of the substrate was set at 800, 900, 1,000 and 1,100 ° C.

Bei allen vorgenannten Bedingungen wurden Siliciumdioxid-Nanodrähte erhalten. Eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme der entsprechenden Nanodrähte zeigt 3.Under all of the above conditions, silica nanowires were obtained. A scanning electron micrograph of the corresponding nanowires is shown three ,

VergleichsbeispielComparative example

Eine unbeschichtete Wabenstruktur, welche nicht mit dem Nickeleisenkatalysator beschichtet wurde, wurde in einer 10%-igen CO2-Gasmischung in N2 (O2-Konzentration: 1 bis 10 Promille) auf 1.200°C erwärmt. Hier wurde die Oberfläche zwar oxidiert, ein Wachstum von Siliciumdioxid-Nanodrähten konnte jedoch nicht beobachtet werden.An uncoated honeycomb structure which was not coated with the nickel iron catalyst was heated to 1200 ° C in a 10% CO 2 gas mixture in N 2 (O 2 concentration: 1 to 10 parts per thousand). Although the surface was oxidized here, growth of silicon dioxide nanowires could not be observed.

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten, wobei man ein festes, auf wenigstens einer Seite mit einem Katalysator beschichtetes Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1500°C erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass man die benötigte Wärmeenergie durch konzentrierte Solarstrahlung einbringt, wodurch Moleküle oder Atome aus dem Substrat in die Gas-Phase übertreten und die so erhaltenen Moleküle oder Atome anschließend auf dem Katalysator in Form von Nanodrähten in einer CO2-haltigen Atmosphäre abgeschieden werden.A process for the production of nanowires, wherein a solid, coated on at least one side with a catalyst substrate is heated to a temperature in the range of 600 ° C to 1500 ° C, characterized in that one introduces the heat energy required by concentrated solar radiation, whereby molecules or atoms from the substrate into the gas phase and the resulting molecules or atoms are then deposited on the catalyst in the form of nanowires in a CO 2 -containing atmosphere. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Ausgangsstoffe an dem Katalysator reagieren und die Reaktionsprodukte dort in Form von Nanodrähten abgeschieden werden.A method according to claim 1, characterized in that react gaseous starting materials on the catalyst and the reaction products are deposited there in the form of nanowires. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Substrat mit einem Eisen- und/oder Nickel-haltigen Katalysator, insbesondere unterstöchiometrische Nickelferrite NixFe3-xO4, beschichtet.Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the substrate is coated with an iron and / or nickel-containing catalyst, in particular substoichiometric nickel ferrites Ni x Fe 3-x O 4 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als Substrat Si-infiltriertes Siliciumcarbid in Form eines Wafers, von Pellets, von Parallelkanalmonolithen, von Schaumstrukturen oder anderer Formkörper verwendet.Process according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the substrate used is Si-infiltrated silicon carbide in the form of a wafer, of pellets, of parallel channel monoliths, of foam structures or other shaped bodies. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Nanodrähte bei einer Temperatur im Bereich von 800°C bis 1200°C synthetisiert.Process according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that the nanowires are synthesized at a temperature in the range of 800 ° C to 1200 ° C. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man den Katalysator von den Nanodrähten abtrennt und anschließend erneut in einem Wachstumsprozess für Nanodrähte einsetzt.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the catalyst is separated from the nanowires and then used again in a growth process for nanowires. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren kontinuierlich betreibt.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the method is operated continuously. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man kontinuierlich Substrat in den mit Solarstrahlung beaufschlagten Reaktionsraum fördert und an anderer Stelle wieder entfernt.A method according to claim 7, characterized in that continuously promotes substrate in the acted upon by solar radiation reaction space and removed elsewhere. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Siliciumdioxid-Nanodrähte abgeschieden werden.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that silicon dioxide nanowires are deposited.
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