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Synthesis of core-shell high-K nanoparticles

Gao, Yanling

In den letzten Jahren haben Kern@Schale Nanopartikel stark an Bedeutung in Forschung und Entwicklung neuartiger funktionaler Materialien gewonnen, da hier die Möglichkeit besteht, verschiedene Funktionalitäten zu kombinieren und die Eigenschaften durch Zusammensetzung, Dicke des Kerns und der Hülle und Partikelgröße gezielt zu beeinflussen. Als Kern Materialien kommen hierbei unter anderem Halbleiter, Metalle, magnetische Oxide und gekapselte Moleküle zum Einsatz. Die Schale kann den Kern vor Umwelteinflüssen schützen, die Agglomeration vermindern, die Stabilität und Dispergierbarkeit erhöhen, z. B. die kernoberfläche lassen sich funktionalisieren, dadurch wird ein homogenes Einbringen anorganischer Kernpartikel in eine organische Matrix möglich. BaTiO3 ist ein sehr bekanntes dielektrisches Material und wird als Dielektrikum in Kondensatoren verwendet aufgrund seiner hohen und frequenzunabhängigen relativen Permittivität mit niedriger dielektrischen Verluste. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Synthese und Charakterisierung von BaTiO3 Nanopartikeln und die Verwendung von BaTiO3- Nanopartikeln zur Herstellung von verschiedenen Kern@Schale Nanopartikel: BaTiO3@SiO2 und Ag@BaTiO3. Für die Herstellung von BaTiO3 Nanopartikeln wird eine umfangreiche, kosteneffiziente und umweltverträgliche “Organosol” Synthese bei niedrigen Temperaturen entwickeln. Diese einfache, schnelle und schonende Synthese bietet viele Möglichkeiten, auf das gewünschte Produkt Einfluss zu nehmen. Hinzu kommt die einfache Skalierbarkeit und die genaue Kontrolle der Partikelgröße. Des Weiteren wird die Herstellung von BaTiO3@SiO2 Nanopartikel mit Kern@Schale-Struktur über inverse Mikroemulsion als Reaktionsmedium gezeigt. Die inverse Mikroemulsionslösung (W/O) besteht aus Triton X-100, n-Hexanol, Cyclohexan und einer wässrigen Phase. Bei diesem Verfahren werden aus einem Tetraalkylorthosilicat (TEOS) durch eine Ammoniak-katalysierte Hydrolyse-Kondensationsreaktion in einer inversen Mikroemulsion SiO2 beschichtete BaTiO3 Nanopartikel, wobei die SiO2 schale eine Dicke im Bereich von 3 nm bis 20 nm aufweist, erzeugt. Mikrostrukturanalysen, so wie TEM-EDS-Elementverteilungsbilder, zeigen SiO2 auf der BaTiO3 Nanopartikel-Oberfläche gebildet wird. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Ag@BaTiO3 Nanopartikel. Die Herstellung erfolgt in zwei Schritten: (1) Herstellung eines Ag Organo-sols, (2) anschließend Einbringen des hergestellten Ag Organosols in ein BaTiO3 “Organosol” Precursor. UV/Vis-Spektroskopie ermöglicht die Untersuchung der Bildung und Aggregation von Ag und Ag@BaTiO3 Nanopartikel. Die spektrale Lage der Plasmonresonanz wird von mehreren Faktoren beeinflusst, z.B. dem umgebenden Medium, auch der BaTiO3 Schichtdicke. Es zeigt sich eine erhebliche Veränderung der spektralen Lage von Ag@BaTiO3 Nanopartikeln mit einer ultradünnen Schale von weniger als 5 nm. Es entsteht ein breites spektrum, wenn sie alles auffallende Licht fast vollständig absorbieren. Die zukünftige Arbeit konzentriert sich auf die angestrebte homogene Einbettung unserer hergestellten Nanopartikeln mit Kern@Schale-Struktur in Polymermatrizes zur Anwendung und Entwicklung zukünftiger organischer Solarzellen.

In recent years, the development of core@shell structured nanoparticles has received great research attention because of the combination of different properties in one particle based on different compositions of the core and the shell. The core often shows the relevant property (e.g. semiconductors, metals, magnetic oxides, encapsulated molecules), while the shell can not only avoid the aggregation and oxidation of the particles, but also can alter the dispersion characteristics of the particles by surface modification, so that the possibility is given to blend the core@shell particles into the polymer matrices. BaTiO3 is one of well-known dielectric materials that is also used in a variety of semiconductor devices owing to its high and frequency-independent permittivity with low dielectric loss. In this work, we aspire to develop a versatile, cost efficient, environmental friendly, and easy-to-scale up method for synthesizing BaTiO3 nanoparticles and BaTiO3-based different types of core@shell nanoparticles: BaTiO3@SiO2 and Ag@BaTiO3 with the core@shell structure. The “Organosol” sythesis is proposed to produce hydrophobic BaTiO3 nanoparticles at temperatures as low as room temperature. The advantages of this method are a high yield, a simple but precise control of the size of the particles, low process temperature, short reaction time, as well as low cost of reagents. BaTiO3@SiO2 compsite nanoparticles with tunable thickness from 3 nm to 20 nm are successfully prepared by a reverse microemulsion method. Specifically, the formation of BaTiO3@SiO2 is performed by using hydrophobic BaTiO3 nanoparticles as seeds in a Triton X-100/n-hexanol/cyclohexane/water reverse microemulsion (W/O). The shell is formed by hydrolysis and condensation of tetraethyl-orthosilicate (TEOS) on the surface of the BaTiO3 particles. The TEM and EDS elemental mapping images clearly show that the BaTiO3@SiO2 compsite nanoparticles have a core@shell structure. Ag@BaTiO3 composite nanoparticles with tunable optical properties were formed in two steps: (1) the synthesis of a Ag organosol, (2) followed by its incorporation with BaTiO3 “organosol” precursor to prepare Ag@BaTiO3 composite nanoparticles. A controllable nanolayer of BaTiO3 on the surface of Ag was formed at different Ag/Ba molar ratios. The UV-vis results reveal changes in the optical features of the Ag and Ag@BaTiO3 composite nanoparticles corresponding to the medium where the nanoparticles are embedded in and the thickness of the BaTiO3 shell. It was found that the ultrathin BaTiO3 shell with a thickness less than 5 nm in composite significantly alters the optical feature and results in almost complete absorption of light in broad spectrum. The future work will be focused on the preparation of polymer-based nanocomposites homogeneously incorporating our synthesized colloidal core@shell nanoparticles for development of organic photovoltaic devices.

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Gao, Yanling: Synthesis of core-shell high-K nanoparticles. 2015.

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