Sol-gel-prosesser er en gruppe prosesser som brukes til å lage flere typer materialer, oftest metalloksider, og nanomaterialer av disse. Ved hjelp av sol-gel-prosesser kan alle typer nanomaterialer lages: både nanopartikler, nanotråder og tynnfilmer.
fra engelsk solution-gel processes
En av de største brukerne er bilindustrien, som bruker sol-gel-prosesser til å lage antirefleksbelegg på bilvinduer.
Prosessen går ut på å lage en kolloidal løsning av de ulike bestanddelene av det endelige produktet (sol), som tørkes til en gel bestående av et nettverk av molekyler (gel). Kvikkleire er et eksempel på et naturlig forekommende sol-gel-system. Metoden gjør det mulig å danne disse ved lavere temperatur enn andre metoder, som ofte må fordampe utgangsstoffene (for eksempel CVD).
Sol-gel-prosesser er billige og gir homogene strukturer, og derfor brukes de ofte til å lage nanomaterialer. Størsteparten av disse er metalloksider eller oksider av halvmetaller, som silika, alumina, titandioksid og sinkoksid.
En viktig anvendelse av sol-gel-prosesser er i produksjon av gjennomsiktige, elektrisk ledende filmer, slik som indiumtinnoksid. Dette er et materiale som brukes mye i berøringsskjermer, og kan brukes i smarte vinduer. Ved å endre den elektriske spenningen på filmen, kan man endre hvor mye sollys som slipper gjennom. Det synlige lyset kan slippe gjennom, men varmestrålingen kan reflekteres vekk fra vinduet, slik at temperaturen ikke øker inne i bygningen.
Sol-gel-prosesser brukes også ofte til å produsere keramer og glass. Mange perovskitter, som bariumtitanat og strontiumtitanat, kan også lages ved hjelp av sol-gel-prosesser. Mange av disse har ferroelektriske egenskaper, som gjør at de kan brukes blant annet i sensorer, i minnekort til datamaskiner og til medisinsk avbildning.
Selv om metalloksider er det vanligste å lage med en sol-gel-prosess, kan det også lages blant annet hydroksider, karbonater, sulfider og kompositter. Den kjemiske forbindelsen som brukes for å lage løsningen (sol) som inneholder det ønskede metallet, kalles en forløper. Den mest brukte typen forløper er basert på alkoksider, men flere andre typer kan også brukes.
En sol-gel-prosess består av seks hovedsteg:
Når disse seks stegene gjøres med riktig konsentrasjon av utgangsstoffer og katalysatorer, samt riktig temperatur, kan man få partikler med en bestemt størrelse som vokser frem i gelen. Tilsetter man mer løsemiddel og katalysator, vil partiklene bli større. Tilsetter man mer forløper, vil partiklene bli mindre, fordi det vil dannes flere partikler. Temperaturen vil også kunne påvirke størrelsen på partiklene, og høyere temperatur vil som hovedregel føre til mindre partikler fordi nukleeringsprosessen skjer raskere.
Ved hjelp av sol-gel-prosesser kan man også lage tynnfilmer. Da spres løsningen utover en overflate før den tørkes og varmebehandles til en fast film. Løsningen kan spres på tre måter:
Filmer laget ved sprøytebelegning regnes vanligvis ikke som nanomaterialer. Tykkelsen på filmene for alle disse prosessene avhenger av viskositet, pH, alder på løsningen, antall lag som legges på, og prosesseringstid. Hvordan tørking og varmebehandling utføres påvirker også tykkelsen.
Ved rotasjonsspredning legges løsningen på en flate som roteres raskt slik at løsningen trekkes vekk fra rotasjonssentrum på grunn av rotasjonsakselerasjonen. Dette fører til en tynn film med jevn tykkelse. Tykkelsen på filmen kan variere fra noen få nanometer opp til en mikrometer.
Rotasjonsspredning brukes svært mye i industrien, også til andre prosesser enn sol-gel-prosesser. Et eksempel er fordeling av fotoresister på wafere til fotolitografi. Den største fordelen med rotasjonsspredning er at det gir svært uniform tykkelse, spesielt for tynnfilmer på nanoskala.
Ved dypping dyppes et substrat ned i løsningen. Når det trekkes opp igjen, vil noe av løsningen ha festet seg på substratet. Løsemiddelet fordampes, og det dannes en tynnfilm på substratet. Substratet dyppes i løsningen flere ganger.
Filmen kan bli mellom noen nanometer og noen mikrometer tykk.
Tynnfilmer laget ved sol-gel-prosesser kan lett sprekke når løsemiddelet fordamper. For å unngå dette, kan man redusere tykkelsen på filmen eller redusere andelen løsemiddel. Et annet problem er at løsningene som brukes i syntesen har kort levetid ettersom de tørker ut etter kondensasjonen. Likevel blir sol-gel-prosesser mye brukt, fordi det er en billig og enkel produksjonsmetode som virker under lavere temperaturer. Dypping og sprøytebelegning kan også enkelt brukes på store og kompliserte overflater. Teknikken kan også brukes til å danne tynnfilmer på svært mange ulike substrater, som blant annet glass, plast, metaller og keramer.
Både null-, én-, to- og tredimensjonale nanomaterialer kan dannes ved sol-gel-prosesser ved bruk av maler. Malen som materialet lages i, hindrer materialet i å vokse utover dette og sørger for at det får ønsket form. Nanopartikler og tynnfilmer kan lages uten bruk av mal, mens nanotråder og tredimensjonale nanostrukturer må lages ved hjelp av en mal.
Maler for nanotråder kan for eksempel være groper i en overflate. Disse kan lages ved litografi, der man bruker fotoner eller elektroner til å løse opp eller polymerisere en fotoresist, og deretter etse ut groper der denne resisten er løst opp. Dette kan gjøres fordi resisten tåler etsingen bedre enn underlaget under.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.