Atomic layer deposited platinum in porous spheres and on well-defined high-aspect-ratio structures: Experiments and modelling
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Järvilehto, Jänis
Date
Department
Major/Subject
Mcode
CHEM3043
Language
en
Pages
68+5
Series
Abstract
Atomic layer deposition (ALD) has in recent years seen increasing interest for the synthesis of supported metal catalysts, due to the high level of control the method provides over the particle properties, as well as its ability to coat narrow structures, such as pores. To study ALD in narrow structures, specialized high-aspect-ratio (HAR) test structures have been developed. In this work, ALD was used to deposit platinum on porous alumina (Al2O3) spheres and well-defined, lateral high-aspect-ratio (LHAR) structures. The work included a literature review, where the ALD process, ALD reactors, ALD in HAR structures, as well as the ALD of platinum are briefly introduced. ALD was performed using (trimethyl)methylcyclopentadienylplatinum(IV) (MeCpPtMe3) and synthetic air. The alumina spheres were processed in a fluidized bed reactor, while the LHAR structures were mounted in the windbox of the setup. The MeCpPtMe3 exposure duration was varied throughout the series. The samples were characterized using inductively coupled plasma - optical emission spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopy and low-energy ion scattering. Saturation profiles obtained from the samples’ inner surfaces were compared with each other, as well as with the outcome of a diffusion-reaction model. The results showed that platinum was deposited in all cases. A clear trend of increasing penetration depth with longer MeCpPtMe3 exposure durations was observed in the alumina spheres. The simulations predicted diffusion of the metal precursor throughout the LHAR structures with the longest exposure durations - a result compatible with the experimentally observed growth. This work presents initial research comparing ALD in porous particles and LHAR structures and provides a starting point for the optimization of the diffusion-reaction model parameters for the deposition of platinum in said materials.Kiinnostus atomikerroskasvatusta (atomic layer deposition, ALD) kohtaan tukiaineisten metallikatalyyttien valmistusmenetelmänä on kasvanut viime vuosina. Menetelmä mahdollistaa ahtaiden rakenteiden, kuten huokosten, pinnoittamisen metallipartikkeleilla siten, että partikkelien ominaisuuksia voidaan säädellä tarkasti. Atomikerroskasvatusta ahtaissa rakenteissa voidaan tutkia korkean aspektisuhteen (high-aspect-ratio, HAR) testirakenteilla. Tässä työssä huokoisiin alumiinioksidipalloihin (Al2O3) ja tarkasti määriteltyihin HAR-rakenteisiin kasvatettiin platinaa ALD-menetelmällä. Työhön sisältyi kirjallisuuskatsaus, jossa käytiin lyhyesti läpi ALD-menetelmä, siihen käytettävät reaktorityypit, HAR-rakenteet, sekä erityisesti platinan atomikerroskasvatukseen liittyvä tutkimus. Platinapinnoite kasvatettiin (trimetyyli)metyylisyklopentadienyyliplatinan(IV) (MeCpPtMe3) ja synteettisen ilman reaktiossa. Alumiinioksidipallot käsiteltiin leijukerrosreaktorissa, jonka kaasunsyötön yhteyteen HAR-rakenteet kiinnitettiin. Koesarjassa vaihdeltiin MeCpPtMe3-pulssin kestoa. Näytteitä tutkittiin induktiivisesti kytkettyyn plasmaan perustuvalla atomiemissiospektrometrialla, fotoelektronispektroskopialla ja matalan energian ionisironnalla. Näytteiden sisäpinnoilta mitattuja kylläisyysprofiileja vertailtiin keskenään, sekä diffuusio-reaktio-mallilla simuloitujen tulosten kanssa. Platinaa havaittiin kaikissa näytteissä. MeCpPtMe3-pulssin ja platinan penetraatiosyvyyden välillä havaittiin selkeä yhteys alumiinioksidipalloissa. HAR-rakenteissa simulaatiot ennakoivat lähtöaineiden diffuusiota kanavan loppuun asti pisimmillä lähtöainepulsseilla, mikä sopi yhteen kokeellisten havaintojen kanssa. Työ esittelee alustavaa huokoisten partikkelien ja HAR-rakenteiden atomikerroskasvatuksen vertailua, ja työn tulokset toimivat lähtökohtana diffuusio-reaktiomallin parametrien optimointiin, kun mallinnetaan platinan kasvatusta huokoisissa alumiinioksidipalloissa tai piipintaisissa HAR-rakenteissa.Description
Supervisor
Puurunen, RiikkaThesis advisor
Saedy, SaeedGonsalves, Christine