Elektrochemische Synthese von nanoskaligem Zinkoxid und Indium-Zinn-Oxid sowie deren Vorstufen in einem wässrigen System

Abstract

Ein neuartiges elektrochemisches Verfahren zur Synthese von nanokristallinem Zinkoxid (ZnO) und Zinn-dotiertem Indiumoxid (ITO) wurde entwickelt. Durch gezielte Veränderung der Versuchsparameter, wie die Zusammensetzung der Spülgasatmosphäre, Temperatur und Elektrolytzusatz, konnten Zinkhydroxide, Zinkcarbonate und auch Zinkhydroxid-Schichtstrukturen erhalten werden. Diese dienen als Vorstufen für ZnO. Es konnten basische Zinksalze mit Netzebenenabständen von 1,37 nm bis 1,98 nm nachgewiesen werden. Für die Größe der Netzebenabstände wurde die Einlagerung von Acetat bzw. Acetat und Carbonat in den Zwischenschichten verantwortlich gemacht. Durch den Einbau von Propionat anstatt Acetat konnte der Netzebenabstand auf 1,47 nm bzw. 2,15 nm erweitert werden, wodurch eine Modellbildung der erhaltenen Strukturen ermöglicht wurde. Weiterhin wurden in Abhängigkeit von den Versuchsparametern sowohl hexagonales ZnO in stäbchenförmiger Morphologie, als auch in sphärischer Morphologie einer Größe unter 20 nm dargestellt. Die Zersetzung und temperaturabhängige Umwandlung der Zinkhydroxide, Zinkcarbonate und Zinkhydroxid-Schichtsysteme zu ZnO wurden untersucht und dokumentiert. Für das System ITO wurden, mit 2 Gew.% und 5 Gew.%, zwei unterschiedliche Zinn-Dotierkonzentrationen untersucht und mit undotiertem Indiumoxid verglichen. Weiterhin wurden sowohl leitfähige, durch Spin-coating auf Glas applizierte Schichten, als auch gepresste Pellets bezüglich ihrer Leitfähigkeit untersucht. Für die erhaltenen Pellets mit einer Dotierung von 5 Gew.% Zinn konnten Leitwerte bis zu 1440 Scm-1 nachgewiesen werden.

A novel electrochemical synthesis route was investigated and applied to nanocrystalline zinc oxide (ZnO) and tin-doped indium oxide (ITO). By systematic changes of process parameters like synthesis gas, temperature and electrolyte different products were obtained. Next to zinc hydroxides and zinc carbonates also zinc hydroxide layered structures such as layered basic zinc salts were obtained. For the layered basic zinc acetate interlayer distances of 1.37 nm for acetate up to 1.98 nm for acetate and carbonate were found due to the intercalation of acetate and carbonate in the interlamellar space. The substitution of acetate by propionate gave enhanced values for interlayer distances of 1.47 nm and 2.15 nm respectively. Modelling of the received structures was provided with these values. Furthermore hexagonal ZnO, rod-like or spherical particles of 20 nm in diameter were found depending on a change of process parameters or chosen precursor system. The decomposition and thermal conversion of the different precursor systems like zinc hydroxide, zinc carbonates and zinc hydroxide layered structures were investigated. Two different doping concentrations of 2 wt.% and 5 wt.% tin in indium oxide compared to indium oxide were investigated. Measuring electrical conductivity of conducting ITO layers on glass prepared by spin-coating as well as pellets of ITO gave values up to 1440 S cm-1 for ITO pellets doped by 5 wt.% Sn.