Arc discharge synthesized nanoparticles and their applications in thin film coatings
The arc discharge method for nanoparticle production offers all the benefits of gas-phase (aerosol-based) synthesis, including high-throughput production, exceptional purity, continuous operation, and straightforward design. This method is especially effective for synthesizing non-oxide materials, such as metals and ceramics. This work studied the synthesis of metallic copper (Cu) and ceramic titanium nitride (TiN) nanoparticles using an optimized arc discharge reactor, with a focus on how different processing parameters affect the properties of the nanoparticles. Additionally, this research explored the potential applications of these nanoparticles, particularly focusing on Cu nanoparticles for electrically conductive thin films and TiN nanoparticles for protective coatings.
Copper nanoparticles (Cu NPs) emerge as cost-effective substitutes for noble metals like silver and gold in conductive inks, due to their superior electrical conductivity and affordability. Through adjusting the reactor process, a steady production rate of 1.2 to 5.5 g/h was achieved, producing Cu nanoparticles with a primary size of less than 100 nm. These nanoparticles were then used to develop copper inks and subsequent thin films on glass substrates. A thermal sintering process eliminated ink residues and reduced copper oxide in the films, achieving a continuous metallic structure within the sintered Cu films. The copper films exhibited low resistivity, three times that of bulk copper, after thermal sintering in a reducing atmosphere. To reduce film porosity, a multilayer sintering technique was developed, enabling the preparation of a denser Cu film through up to four coating and sintering cycles, significantly lowering porosity from 33.6% in single-layered to 3.7% in four-layered sintered films. This reduction in porosity correlates with decreases in electrical resistivity, demonstrating the effectiveness of this multilayer sintering method.
Similarly, titanium nitride nanoparticles (TiN NPs), preferred for protective coatings due to their outstanding thermal, mechanical, and chemical stability, were synthesized in an optimized arc discharge reactor. The research explored the effect of parameters like quench gas velocity, composition, and arc current on nanoparticle quality, yield, and size, finding that higher gas velocities led to smaller particles (10-15 nm). It also proposed a mechanism for cathode tip deposit growth, enhancing understanding of the synthesis process and offering optimization insights. Utilizing optimized parameters, the study produced nanostructured thin films through a novel method combining an atmospheric-pressure arc reactor with a magnetron sputter device, achieving nanocrystalline (nc)-TiN/nc-CrN nanocomposite structures. Microstructural analysis confirmed the successful integration of TiN nanoparticles without significant lateral interface defects. However, pores near TiN nanoparticles indicated that external nanoparticles might disrupt the vertical columnar growth of the CrN Matrix. The research also found that increasing TiN nanoparticle content decreased CrN crystallite sizes and increased grain boundaries, indicating the potential for mechanically enhanced thin films.
Synthese von Nanopartikeln mittels Lichtbogenentladung bietet alle Vorteile der Gasphasensynthese (auf Aerosolbasis), einschließlich der Produktion mit hohem Durchsatz, außergewöhnlicher Reinheit, kontinuierlichem Betrieb und unkompliziertem Design. Diese Methode ist besonders effektiv für die Synthese von Nicht-Oxid-Materialien wie Metallen und Keramiken. In dieser Arbeit wurde die Synthese von metallischen Kupfer- (Cu) und keramischen Titannitrid- (TiN) Nanopartikeln mit Hilfe eines optimierten Lichtbogenreaktors untersucht, wobei der Schwerpunkt darauf lag, wie verschiedene Verfahrensparameter die Eigenschaften der Nanopartikel beeinflussen. Darüber hinaus wurden die potenziellen Anwendungen dieser Nanopartikel untersucht, mit zwei weiteren Schwerpunkten: Der Einsatz von Kupfernanopartikeln für elektrisch leitfähige Dünnschichten und der von Titannitrid-Nanopartikeln für Schutzschichten.
Kupfernanopartikel (Cu NPs) sind aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und ihres Preisvorteils ein kostengünstiger Ersatz für Edelmetalle wie Silber und Gold in leitfähigen Druckfarben. Durch Anpassung des Reaktorprozesses wurde eine stabile Produktionsrate von 1,2 bis 5,5 g/h erreicht, wodurch Cu-Nanopartikel mit einer Primärgröße von weniger als 100 nm hergestellt wurden. Diese Nanopartikel wurden dann zur Entwicklung von Kupfertinten und anschließenden Beschichtungen auf Glassubstraten verwendet. Durch ein thermisches Sinterverfahren wurden Tintenreste entfernt und das Kupferoxid in den Filmen reduziert, so dass die gesinterten Cu-Filme eine durchgehende Metallstruktur aufwiesen. Die Kupferschichten wiesen nach dem thermischen Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre einen niedrigen spezifischen Widerstand auf, der dreimal so hoch war wie der von massivem Kupfer. Zur Verringerung der Porosität der Schichten wurde ein mehrstufiges Sinterverfahren entwickelt, das die Herstellung einer dichteren Cu-Schicht durch bis zu vier Beschichtungs- und Sintervorgänge ermöglichte und die Porosität von 33,6% bei einschichtigen Schichten auf 3,7% bei vierschichtigen gesinterten Schichten deutlich verringerte. Diese Verringerung der Porosität korreliert mit einer Verringerung des elektrischen Widerstands, was die Wirksamkeit dieses mehrstufigen Sinterverfahrens beweist.
In einem anderen Fall wurden Titannitrid-Nanopartikel (TiN NPs), die aufgrund ihrer hervorragenden thermischen, mechanischen und chemischen Stabilität für Schutzschichten bevorzugt werden, in einem optimierten Lichtbogenreaktor synthetisiert. Die Forschung untersuchte die Auswirkung von Parametern wie Quenchgasgeschwindigkeit, Zusammensetzung und Lichtbogenstrom auf die Qualität, Ausbeute und Größe der Nanopartikel und stellte fest, dass höhere Gasgeschwindigkeiten zu kleineren Partikeln (10-15 nm) führten. Außerdem wurde ein Mechanismus für das Wachstum der Kathodenspitzenablagerungen vorgeschlagen, der das Verständnis des Syntheseprozesses verbessert und Erkenntnisse für die Optimierung liefert. Unter Verwendung optimierter Parameter wurden in der Studie nanostrukturierte Dünnschichten durch eine neuartige Methode hergestellt, bei der ein Atmosphärendruck-Lichtbogenreaktor mit einer Magnetron-Sputter-Anlage kombiniert wurde, wodurch nanokristalline (nc)-TiN/nc-CrN Nanokompositstrukturen erzielt wurden. Die mik-rostrukturelle Analyse bestätigte die erfolgreiche Integration von TiN-Nanopartikeln ohne signifikante seitliche Grenzflächendefekte. Poren in der Nähe von TiN-Nanopartikeln wiesen jedoch darauf hin, dass externe Nanopartikel das vertikale säulenförmige Wachstum der CrN-Matrix stören könnten. Die Forschungsarbeiten ergaben auch, dass mit zunehmendem Gehalt an TiN-Nanopartikeln die CrN-Kristallitgrößen abnahmen und die Korngrenzen zunahmen, was auf das Potenzial für mechanisch verbesserte dünne Schichten hinweist.