Alkali- ja maa-alkalimetalleihin perustuvat metalli-orgaanisen runkorakenteen ohutkalvot ALD/MLD-menetelmällä

Abstract

Metalli-orgaaniset runkorakenteet (MOF) soveltuvat niiden huokoisuudesta, muunneltavuudesta ja kiteisyydestä johtuen moniin käyttökohteisiin. Alkali- ja maa-alkalimetalleihin perustuvat MOF-rakenteet soveltuvat esimerkiksi kaasun varastoimiseen, sensoreiksi ja akkuihin elektrodimateriaaleiksi. Tämä diplomityö vertailee alkali- ja maa-alkalimetalleihin perustuvia metalli-orgaanisia runkorakenteita.

MOF-rakenteen kasvatus ohutkalvomuotoon luo uusia sovelluskohteita. Mikroakuissa orgaanisen elektrodin vaatimuksena on ohutkalvon kolmiulotteinen rakenne, mikä lisää sen pinta-alaa, jolloin tehotiheys on suurempi ja varauksen kuljettajan diffuusioreitti lyhempi. Yhdistetyllä atomi- ja molekyylikerroskasvatusmenetelmällä (ALD/MLD) voidaan kasvattaa laadukasta ohutkalvoa kolmiulotteiselle substraatille.

Diplomityön kokeellisessa osuudessa tavoitteena oli kasvattaa natriumiin, kaliumiin ja magnesiumiin perustuvia kiteisiä metalli-orgaanisen runkorakenteen ohutkalvoja yhdistetyllä ALD/MLD-menetelmällä. Orgaanisina lähtöaineina kasvatuksissa käytettiin tereftalaattihappoa ja 3,5-pyridiinidikarboksyylihappoa. Ohutkalvonäytteiden paksuutta, kiteisyyttä ja koostumusta analysoitiin. Näytteiden kiteisyyttä ja stabiilisuutta kosteus- ja lämpökäsittelyissä tutkittiin. Tuloksia vertailtiin keskenään ja kirjallisuuslähteisiin. Kokeellisessa osuudessa löydettiin kuusi uutta MOF-ohutkalvorakennetta.

Metal-organic framework (MOF) structure has many potential applications because of its porosity, transformability and crystallinity. MOF-structures based on alkali and earth alkaline metals can be used for example for gas storage, as sensors and as electrode materials in batteries. This thesis compares metal-organic framework structures based on alkali and earth alkaline metals.

In battery applications, MOF-structure is more useful in thin film form. In micro batteries 3D-structure of the organic electrode is required, because of the larger area, shorter charge carrier diffusion path and higher power density. Thin films of good quality can be deposited on 3D-substrate with atomic and molecular layer deposition (ALD/MLD).

In the experimental section of the thesis, the aim was to deposit crystalline MOF thin films based on sodium, potassium and magnesium by ALD/MLD. Terephtalate acid and 3,5-pyridinedicarboxylic acid were used as the organic precursors in the depositions. Thin film thickness, crystallinity and composition were analyzed. Thin film crystallinity and stability were examined in humidity and heat treatments. Results were compared with each other and to literature sources. In the experimental section, six new MOF thin film structures were discovered.