Growth of anodic self-organized titanium dioxide nanotube layers

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2008-06-09
Issue Year
2008
Authors
Macák, Jan
Editor
Abstract

Synthesis of one dimensional nanostructures has been attracting significant and continually increasing research interest over the past years, as these structures provide a high potential for technological applications due to their intriguing properties. Of particular interest are approaches that rely on a self-organization of the matter, as they provide a high degree of order on the nanoscale and lead to exciting new arrangements. Within electrochemical materials science, anodization approaches that lead to the growth of the self-organized porous structures, such as alumina and silicon, have been widely developed during the past decades. Due to a highly ordered structure and specific properties of these materials, they have found use in various applications. In contrast to these two classical examples, no such ordered nanostructures on titanium could be obtained until recently. This thesis describes the synthesis of self-organized titanium dioxide nanotube layers by an electrochemical anodization of Ti in various electrolytes that contain fluoride anions. These layers offer a unique combination of wide band gap semiconductor properties with a high surface area and precisely controlled morphology making them promising candidates for direct applications in photocatalysis and solar energy conversion, for example. In order to determine the conditions for the self-organization, a whole range of parameters was investigated. The conditions that need to be fulfilled to grow ordered layers have been identified within the present work. Further, by aid of modern surface analytical techniques, the mechanistic aspects of the tube growth have also been investigated and discussed. Several functional applications of the nanotube layers are presented and some others are outlined.

Abstract

Die Synthese eindimensionaler Nanostrukturen stand in den letzten Jahren im Zentrum vieler Forschungsinteressen, da diese Strukturen aufgrund ihrer faszinierenden Eigenschaften ein hohes Potential für technologische Anwendungen bieten. Bei der Herstellung sind Methoden von besonderem Interesse, die auf der Selbstorganisation von Materie beruhen, da so ein hohes Maß an Ordnung im Nanometerbereich erreicht wird und faszinierende neue Anordnungen entstehen. Im Bereich der elektrochemischen Werkstoffwissenschaften wurden Anodisierungsmethoden, die zum Wachstum von selbst-organisierten porösen Strukturen, wie die des porösen Aluminium- und Siliziumoxids führen, während der letzten Jahrzehnte weit reichend entwickelt. Aufgrund der höchstgeordneten Struktur und der spezifischen Eigenschaften dieser Materialien, haben sie in zahlreichen Anwendungen Nutzen gefunden. Im Gegensatz zu diesen zwei klassischen Beispielen konnten bis vor kurzem keine solchermaßen geordneten Nanostrukturen auf Titan erzeugt werden. Diese Arbeit beschreibt die Synthese von selbst-organisierten Schichten von Titandioxid Nanoröhren durch elektrochemische Anodisation von Titan in verschiedenen Elektrolyten, die Fluoridanionen enthalten. Diese Schichten bieten eine einmalige Kombination der Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke mit einer großen Oberfläche und einer genau kontrollierten Morphologie, was sie zu viel versprechenden Kandidaten für direkte Anwendungen im Bereich der Photokatalyse und der Solarenergieumwandlung macht. Zur Bestimmung der genauen Konditionen für das selbst-organisierte Wachstum wurde ein sehr großer Bereich von Parametern untersucht. Die Bedingungen für das kontrollierte Wachstum geordneter Schichten wurden in dieser Arbeit bestimmt. Des Weiteren wurden mechanistische Aspekte des Röhrchenwachstums untersucht und diskutiert. Verschiedene funktionelle Eigenschaften der Nanoröhrenschichten sind hier länger und einige andere kurz dargestellt.

DOI
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