原子层沉积技术制备贵金属复杂纳米结构取得进展:低价高效Pt纳米管合成及其应用

Small贵金属Pt,以其自身具有的卓越的催化活性、化学稳定性、导电性和较高的功函数等,在催化、燃料电池、微电子器件等众多领域有着举足轻重的作用。虽然贵金属Pt性能优异,用途广泛,但稀缺的资源和昂贵的价格,严重阻碍了其工业化应用。如何高效利用有限的贵金属Pt成为材料领域的一个有挑战性的研究课题之一。同时,随着近年来器件小型化,以及材料尺度、结构纳米化的迅猛发展,寻求一种有效的技术途径,以极少的Pt消耗来实现复杂的微纳米结构及功能器件变得愈发迫切。

基于这一研究背景,最近德国伊尔姆瑙工业大学(Technical University of Ilmenau)微电子及纳米技术研究所(Institute of Micro- and Nanotechnology)和物理所(Institue of Physics)雷勇教授课题组通过一种新型的原子层沉积(ALD)技术实现了大面积、低贵金属Pt消耗的复杂纳米结构的可控生长,为贵金属Pt的高效利用,特别是在微纳米器件方面的工业化应用开辟了有效途径。常规的原子层沉积Pt的过程中,有机金属Pt化合物大配体(铂源)的位阻效应以及其配体位阻效应掩蔽表面反应位点使Pt以岛状机制生长,不仅无法精确控制Pt的生长厚度,还导致所生长的Pt中存在大量的本征缺陷;更重要的是,为了实现复杂的、高纵横比的Pt微纳米结构,在其生长过程中需要较长时间的铂源脉冲,将消耗大量的铂源。该课题组以高纵横比的多孔氧化铝模板(AAO)为模型,在ALD反应过程中引入一个氮气气流调控步骤,即通过改变氮气条件来调节沉积腔内的压力,从而控制铂源在模板中的扩散和吸附行为,改善Pt在模板中的成核能力。相比于常规的ALD技术,获得同等效果的Pt 纳米管结构,该新技术能够节省90%的铂源用量。基于Pt 纳米管有序阵列组装而成的Pt/MnO2超级电容器表现出了很好的电容量和卓越的稳定性:(1) 在 5 mv/s的条件下,充放电电容量达810 Fg−1;(2) 在 2-100 Ag-1之间反复充放电8000 次,电容保持率接近100%。

该技术具有良好的普适性,不仅适用于其他的复杂Pt微纳米结构器件,还可广泛应用于其他材料的ALD生长。