Der Beginn: Das Coaten (Beschichten) von Kupfer

Das Basismaterial für das Coaten ist Kupfer, egal in welcher Form. Das Coaten erfolgt entweder thermisch durch Erhitzen (Gasbrenner) oder chemisch durch Ätzen (NaOH). Im Zuge des Coatings entstehen "Lücken zwischen den Atomen" und auf der Kupferoberfläche bilden sich mikroskopisch kleine Schichten, die wiederum aus kleinen Partikeln bestehen, die wie Drähte aussehen, diese werden auch "nanowire" genannt, da sie so klein sind. Deshalb wird das Coating auch oft als Nano-Coating bezeichnet. Diese Nanoschichten haben die Eigenschaft, im Laufe der Coatings zu wachsen.

 

Mit dem thermischen Coaten von Kupfer haben sich schon sehr viele Institutionen und auch Universitäten beschäftigt. Je nach Beschaffenheit des Kupfers entstehen an der Oberfläche bei einer gewissen Temperatur sogenannte Graphen oder aber auch sogenannte "Nanowires". Die Wissenschafter Yuan, Wang, Mema & Zhou (2011) [1] vom Department of Mechanical Engineering & Multidisciplinary, State University of New York haben diese Nanopartikel und Schichten beispielsweise eingehend untersucht. Nebenstehende Grafik zeigt ein Bild von den nanowires in der Größe von Mikrometer bzw. Nanometer (1 Nanomillimeter ist 1 Millionstel Millimeter: 1/1.000.000). Es sind deutlich die einzelnen Drähte (Fäden) zu sehen, die mehr oder weniger ungeordnet herumstehen bzw. liegen. Das Kupfer ist in diesem Fall über einen Zeitraum von 2 Stunden immer wieder auf 450° erhitzt worden. Verwendet wurde Kupfersubstrat in 99,99%iger Reinheit, das vorher mit Salzsäure (HCI) behandelt und demineralisiertem Wasser gewaschen wurde, um das Kupfer zu reinigen und die natürliche Oxidschicht zu entfernen.

 

Die Autoren bekräftigen, dass die "Nanowires" nicht aus den sogenannten "grain boundaries", den Rissen an der Oberfläche durch das Erhitzen entstehen, sondern dass diese sich unabhängig davon entwickeln. Im Detail bildet sich im Laufe des Coatingvorganges auf der Oberfläche zuerst eine Kupfer(I)-oxid-Schicht (Cu2O), dann eine Kupfer(II)-oxid-Schicht (CuO) und schließlich wachsen die "Nanowires" aus der CuO-Schicht heraus. Erst wenn die CuO-Nanoschicht größer als 1 Mikrometer ist, beginnen die Nanowires zu wachsen. Die optimale Temperatur für das Wachstum der Nanowires wird zwischen 300 und 550°C angegeben. Interessant ist, denn das kennen wir aus der Coating-Praxis: Kupfer(I)-oxid ist gelblich bis rotgraun und wird beim Erhitzen schwarz, kühlt es wieder ab, nimmt es wieder die ursprüngliche Farbe an. Wenn die gecoateten Kabeln also gelblich bis rotbraun sind, hat sich darüber noch keine CuO-Schicht gebildet und folglich auch keine "nanowires". Kupfer(II)-oxid ist schwarz, deshalb ist es wichtig, dass die gecoateten Drähte schwarz sind und nicht die Cu2O-Farben tragen. Deshalb ist es wichtig, beim Feuercoaten die richtige Temperatur zu wählen, darauf gehen wir beim Feuercoaten genauer ein.

 

Des Weiteren haben Yuan et al. (2011) herausgefunden, dass die Oberfläche der Nanowires eine kristalline Struktur aufweist und nicht hohl ist, jede Seite eines Nanowires ist ein Kristall mit einem klar abgegrenztem Kristallgitter. In Bild a und b sind die beiden Seiten zu sehen, abgebildet durch Transmissionselektronenmikroskopie.

 Nanowires unter dem Rasterelektronenmikroskop nach dem Feuercoating, Quelle: Yuan et al. (2011, p.2492)

Feuergecoatetes Kupfer unter dem Rasterelektronenmikroskop (a) deutlich ist die Cu2O-Schicht und die CuO-Schicht zu sehen

und die darauf entstehenden Nanowires, (b) Vergrößerung des grün markierten Bereiches von (a), Quelle: Yuan et al. (2011, p.2493)

 Einzelnes Nanowire (NW): (a) aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (BF-TEM), sichtbar sind die beiden Seiten des Nanowires, (b) die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) zeigt vergrößert auch die beiden Schichten und die kristalline Struktur, (c) SAED (selected area electron diffraction) Muster eines Nanowires, Quelle: Yuan et al. (2011, p.2494)

Text und Bilder von:

plasma-energie.org

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