title: Synthesis of Semiconducting Nanoparticles from Silicon and Germanium in a Nucleation Controlled Gas Phase Process
title: Synthese von halbleitenden Nanopartikeln aus Silizium und Germanium in einem nukleationskontrollierten Gasphasenprozess
Creators: name: Wergen, Lukas
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften

description: The present work addresses the aerosol synthesis of complex and defined nanoparticles of silicon and germanium for electronic applications. This requires a manufacturing process with which the nucleation and growth of the particles can be specifically controlled during the formation in order to achieve narrowly distributed particle size distributions. Especially in the synthesis of germanium nanoparticles, the rapid decomposition of the precursor leads to high supersaturation in the system and strong homogeneous nucleation, which results in small undefined particles. This can be prevented by the introduction of ultrafine nanoparticles as seeds, which initiate heterogeneous nucleation. Thus, a more narrow and well-defined particle size distribution is achievable. The main objective of this work, is therefore the coupling of an external seeding unit with a two-stage hot wall reactor system, whereby a three-stage setup was achieved and e.g. germanium nanoparticles could be coated with silicon. This makes complex germanium-silicon structures, such as patchy particles, possible. Firstly, the successful use of this external seed unit and the influence of heterogeneous nucleation on germanium nanoparticle synthesis was evaluated experimentally and theoretically. It could be shown that the seed concentration is the key factor for a complete suppression of the homogeneous nucleation. The particles produced have a very narrow distribution (geometric standard deviation &lt; 1.1). The seeds used in this process dissolve into the main particles during growth, which was observed by high-resolution transmission electron microscopy analyses. In a next step, the seeded germanium-containing nanoparticles were coated with silicon in the second reactor stage. Due to the difference in the lattice constants of the two materials, a strain-driven patch formation occurs on the core particles, which is known as the Stranski-Krastanov growth mechanism. The number and size of the patches can be controlled in a defined way by simple parameter variation. Besides gaseous precursors like silane, liquids such as organosilicon compounds could also be successfully used for surface functionalisation. In addition to the fabrication and investigation of the formation mechanism of the semiconducting nanoparticles, their application in Few-Layer-Graphene-composites and lithium-ion batteries was also evaluated. On the one hand, it was possible to produce composites using a simple method only by electrostatic attraction of the nanoparticles and the Few-Layer-Graphene. On the other hand, the nanoparticles could be successfully used in lithium-ion batteries. Especially the polycrystalline silicon nanoparticles show promising properties such as high capacity and excellent cycle stability over 100 cycles.
description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aerosolsynthese von komplexen und definierten Nanopartikeln aus Silizium und Germanium für elektronische Anwendungen. Dazu ist ein Herstellungsprozess nötig, mit dem die Nukleation und das Wachstum der Partikel während der Bildung gezielt kontrolliert werden kann und somit eng verteilte Partikelgrößenverteilungen erreicht werden können. Speziell bei der Synthese von Germaniumnanopartikeln kommt es aufgrund der schnellen Zersetzung des Precursors zu einer hohen Übersättigungen im System und starker homogener Keimbildung, die zu kleinen undefinierten Partikeln führt. Dies kann durch das gezielte Einbringen von ultrafeinen Nanopartikeln als Nukleationspunkte (Seeds), die eine heterogene Keimbildung initiieren, unterbunden werden. Die heterogene Keimbildung führt zu einer engen und wohl definierten Partikelgrößenverteilung. Das Hauptziel dieser Arbeit war daher die Kopplung einer externen Seedingeinheit mit einem zweistufigen Heißwandreaktosystem, wodurch ein dreistufiger Aufbau erreicht wurde und z.B. Germaniumnanopartikel mit Silizium beschichtet werden konnten. Dadurch sind komplexe Germanium-Silizium-Strukturen, wie z.B. patchy particles möglich. Zunächst wurde der erfolgreiche Einsatz dieser externen Seedingeinheit und der Einfluss der heterogenen Keimbildung auf die Germaniumnanopartikelsynthese experimentell und theoretisch evaluiert. Es wurde gezeigt, dass die Seedkonzentration der entscheidende Faktor für eine vollständige Unterbindung der homogenen Keimbildung ist. Die hergestellten Partikel weisen eine sehr enge Verteilung (geometrische Standardabweichung &lt; 1,1) auf. Die dabei verwendeten Nukleationspunkte lösen sich während des Wachstums der Hauptpartikel in diesen auf, was durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopieanalysen beobachtet wurde. Im nächsten Schritt wurden die geseedeten germaniumhaltigen Nanopartikel in der zweiten Reaktorstufe mit Silizium beschichtet. Durch den Unterschied der Gitterkonstanten der beiden Materialien kommt es zu einer spannungsgetriebenen Patchbildung auf den Kernpartikeln, auch bekannt als Stranski-Krastanov-Wachstumsmechanismus. Die Anzahl und Größe der Patches kann über einfache Parametervariation definiert eingestellt werden. Neben Silan als gasförmigen Precuror wurden auch Flüssigkeiten wie z.B. Organosiliciumverbindungen erfolgreich für die Oberflächenfunktionalisierung verwendet. Zusätzlich zu der Herstellung und Untersuchung des Bildungsmechanismus der halbleitenden Nanopartikeln wurde auch deren Anwendung in Few-Layer-Graphene-Kompositen und Lithiumionenbatterien evaluiert. Das Few-Layer-Graphene kann durch einfache elektrostatische Anziehung mit den halbleitenden Nanopartikeln kombiniert werden, um ein Komposite herzustellen. Zum anderen konnten die Nanopartikel erfolgreich in Lihtiumionenbatterien eingesetzt werden. Speziell die polykristallinen Siliziumnanopartikel zeigen vielversprechende Eigenschaften, wie hohe Kapazität und ausgezeichnete Zyklusstabilität über 100 Zyklen.