Funktionelle TiO2-Schichten: Nanostrukturierung der Morphologie und organische Modifikation der Oberflächenchemie

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-09-07
Issue Year
2011
Authors
Schmidt-Stein, Felix
Editor
Abstract

Most of the interactions between different media are mainly based on their properties on their surface interfaces. Scientific and technologic progress is nowadays often due to the better understanding of the mechanism involved in interface reactions. Additionally, the current possibilities to investigate and modify surface systems on the nanometre scale broaden the range of applications of functionalized surface layers. In this content, the aim of the present work is to elaborate a deeper understanding of self organized attachment of organic molecules to technical relevant metal oxide surfaces and to enhance the functionality by combining nanostructured morphologies (in particular: self organized titania nanotube layers) and their organic functionalization. The work deals with the adsorption of different binding groups in dependency of experimental parameters as solvent, concentration, coating time and –temperature on anodic TiO2 films. The characterisation is mainly carried out with X-ray-Photoelectron-Spectroscopy (XPS, ESCA). Furthermore, the attachment was described by adsorption models to describe the experimental data in a mathematic way. The resulting optimisation of the attachment is transferred to more complex surfaces. This allows the surface properties to be tuned in desired ways via coupling specific organic functionalities and to be used in a broad range of applications. For example, the wetting of a surface was electrochemically controlled via a coupled red ox system. Another possibility of application is using these systems as a carrier system for reagents that provide a controlled release by the photocatalytical effects. The release of the attached molecules from the surface can be induced and controlled by common UV-irradiation or via x-rays. The findings of the work provide a broad basis for using nanotubular structured surfaces, combined with a suitable organic modification with self assembled monolayers.

Abstract

Die Wechselwirkungen von unterschiedlichen Medien werden maßgeblich durch deren Grenzflächeneigenschaften bestimmt. Wissenschaftliche und technologische Fortschritte gehen heutzutage häufig auf ein besseres Verständnis der Interaktion unterschiedlicher Medien im Bereich der Grenzfläche zurück. Die zunehmende Fähigkeit, Oberflächensysteme in immer kleiner werdenden Maßstab zu untersuchen bzw. zu modifizieren, verbreitert zudem das Anwendungsspektrum funktioneller Schichten. Vor diesem Hintergrund ist die Zielsetzung der vorliegenden Dissertationsschrift, ein grundlegendes Verständnis der selbst organisierten Anbindung von organischen Molekülen auf technologisch bedeutende Metalloxidoberflächen zu erarbeiten und die so erzielte Funktionalität der Oberfläche mit der, durch morphologische Modifikation (speziell: selbst organisierte Nanoröhrenschichten) generierten zu kombinieren. Die Untersuchungen umfassen die Adsorption von unterschiedlichen Bindungsgruppen in Abhängigkeit von Beschichtungsparametern, wie Lösungsmittel, Konzentration, Beschichtungsdauer und –temperatur auf anodischen TiO2 Schichten. Die Charakterisierung erfolgt hauptsächlich mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS bzw. ESCA). Das Bindungsverhalten wird zusätzlich mit Hilfe von Adsorptionsmodellen beschrieben, um die Abhängigkeiten der experimentellen Daten mathematisch zu erfassen. Die sich aus den Untersuchungen ergebende Optimierung der Molekülanbindung auf TiO2 wird auf komplexe Oberflächenstrukturen übertragen und die Oberflächeneigenschaften werden durch spezifische, organische Weiter-funktionalisierung gezielt eingestellt. Die Kombination der organischen Modifikation von TiO2 mit elektrochemischer Nanostrukturierung in Form von nanotubularen Schichten ergibt ein breites Spektrum an einstellbaren Oberflächeneigenschaften, wie die Benetzung, die sich unter anderem über ein im Rahmen dieser Arbeit etabliertes Redox-Systems elektrochemisch kontrollieren lässt und im anwendungsorientierten Teil dieser Arbeit anschaulich gezeigt wird. Weiterhin lassen sich solche Systeme nutzen, um ein Wirkstoffträgersystem mit kontrollierter Abgabe durch den photokatalytischen Effekt des Halbleiters TiO2 zu realisieren, klassich induziert mit UV-Strahlung oder auch mit Röntgenstrahlung, wie dies im Laufe der Forschungsarbeit belegt werden konnte. Entsprechende UV- bzw. röntgeninduzierte Systeme werden als weitere Anwendungsmöglichkeiten von anodisch nanostrukturierten und organisch funktionalisierten TiO2 Schichten dargestellt.

DOI
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