Untersuchungen zur Bildung von Silbernanopartikeln in Natronkalk-Silikatgläsern durch Ionenaustausch
Creators: name: Schicke, Klaus-Dieter
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2007
Subjects: subject: Kalknatronglas
subject: Nanopartikel
subject: Silber
subject: Ionenaustausch
subject: Elektronische Publikation
subject: Hochschulschrift
subject: Online-Publikation
subject: Zsfassung in engl. Sprache
subject: 666.156

description: Ziel der Untersuchung war die Herstellung von in grünen Natron-Kalk-Silikatgläsern eingebetteten Ag-Nanopartikel mit den für nichtlineare optische Phänomene besonders interessanten Größen von 1...2 nm. Die Ag-Dotierung des Glases erfolgte durch Ag+-Na+-Tieftemperaturionenaustausch bei 330°C. Eine Analyse der beteiligten Transport- und Partikelbildungsprozesse mittels eines umfassenden methodischen Spektrums (AAS, EDX, ESR, TEM, HRTEM, Spektralphotometrie und Modellierung) sollte eine Beschreibung der beteiligten Elementarprozesse von Diffusion, Reduktion und Partikelbildung ermöglichen. Die Ag-Dotierung wird als Reaktive Diffusion interpretiert, wobei in den noch unvollständig verfärbten Proben eine anhand der Verfärbung identifizierbare Reaktionsfront (RF) das Glas in Bereiche unterschiedlicher diffusiver und relaxiver Eigenschaften trennt. Entgegen früheren Annahmen können die beteiligten Elementarprozesse offensichtlich nicht voneinander entkoppelt und es können keine Hinweise auf die Bildung von isolierten Ag0 durch die Redoxreaktion gefunden werden. Als Produkt der Ag-Reduktion durch Fe2+ wurden farblose, diamagnetische und wahrscheinlich amorphe, subvalente Ag-haltige Zwischenprodukte identifiziert. Diese können nahe der RF zu Ag-Nanopartikeln mit einer zeit- und tiefenunabhängigen Größe von etwa 1.5-2.0 nm transformieren. Die Ag-Nanopartikel beginnen nach dem Verschwinden der RF bei 500h zu wachsen und formen ab 600 h tiefenabhängig ein quadratisches Größenprofil mit einem Maximum von 4.5 nm in der Probenmitte aus. Die Fe2+-Oxidation findet nur in unvollständig verfärbten Proben statt, Eine der Fe2+-Oxidation nachfolgende Relaxation des Fe3+ synchron zur Entstehung der Ag-Nanopartikel wurde gefunden. Die Modellierung der Redoxreaktion zwischen ortsfesten und räumlich getrennten Reaktanten ergab übereinstimmende Ergebnisse für die chemische Standardkinetik und für diffusionsbestimmte Reaktionskinetiken. Für die mit TEM bestimmten Ag-Partikelgrößen deutlich unter 5 nm differieren die spektralphotometrisch gefundenen Absorptionen durch die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) und die theoretischen Erwartungen der Mie-Theorie mit der quasistatische Näherung eines auf die Partikelgröße beschränkten Elektronengases für alle drei Parameter (Lage, Breite und Fläche). Bei konstanten Ag-Partikelgrößen traten tiefenabhängige Lagen und Breiten der SPR-Absorptionen der im Glas eingebetteten Ag-Nanopartikel auf.
description: Aim of the investigation was the fabrication of in green soda lime silicate glass embedded Ag nanoparticles with for nonlinear optical behaviour interesting sizes between 1...2 nm. Ag incorporation took place through a Ag+-Na+- low temperature ion exchange at 330°C. The Analysis of the involved transport and particles formation processes with a comprehensive methodical spectra (AAS, EDX, ESR, TEM, HRTEM, spectralphotometry und modelling) should enable to discribe the involved elementary processes of diffusion, reduction and particles formation. Ag incorporation is interpreted as reactive diffusion, that reveals through the staining in incompleted coloured samples an identificable reaction front, wich splits the glass in regions of different diffusive and relaxive behaviour. Involved elementary processes are apparently not separable and no hints of formation of isolated Ag0 through Ag reduction were found. The product of Ag reduction with Fe2+ was identified as colourless, diamagnetic, and probably amorphous subvalent precursors of silver nanoparticles. These transform near RF into Ag nanoparticles with time and depth independent size of about 1.5-2.0 nm. Ag nanoparticles grow after diminishing of RF at 500 h and form a depth dependent squared shaped size profil with a maximum size of 4.5 nm at the sample center after 600 h. Fe2+-oxidation happens only in incompleted coloured glass. After the Fe2+-oxidation a following relaxation of Fe3+ synchron to the formation of Ag nanoparticles was found. Modelling of redoxreaction between immovable and spatially separated reactants arises congruent results for the chemical standard kinetic and for diffusion influenced reaction kinetics. For Ag particle sizes clearly below 5 nm, wich are determined by TEM, differ the spectralphotometric absorption of surface plasmon resonance (SPR) and the theoretical expectations of Mie’s theory with a quasistatic electrongas limited of the Ag particle size for all three parameter (position, width and area). At constant Ag particle sizes appeared depth dependent positions and widths of the SPR-absorption for the Ag nanoparticles embedded in glass.