[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünner elektrisch leitfähiger
Schichten aus Silber auf einer Oberfläche von Substraten, einen Silberkomplex und
eine Lösung des Silberkomplexes sowie die Verwendung einer Silberkomplex-Lösung. Sie
kann bevorzugt für die Herstellung elektrisch leitender Strukturelemente, wie Elektroden
oder Leiterbahnen, die auch optisch transparent sein können, eingesetzt werden, wie
dies beispielsweise bei Dünnschichtsolarzellen oder Leuchtdioden der Fall ist.
[0002] Für diese Anwendungen ist der Einsatz unterschiedlicher Stoffe, wie z.B. elektrisch
leitfähiger Oxide (TCO's), Modifikationen von Kohlenstoff (CNT's), elektrisch leitfähiger
Polymere und von Metallen bekannt. Bis auf die Metalle weisen die anderen Stoffe jedoch
einen erhöhten elektrischen Widerstand auf, wenn die ausgebildeten Schichten auch
optisch transparent sein sollen. Zusätzlich ist ihr Einsatz mit erhöhten Kosten verbunden.
[0003] Metallschichten, die bevorzugt aus Silber hergestellt werden, können bisher in der
erforderlichen Dicke lediglich mit bekannter Vakuumbeschichtungstechnik, in der erforderlichen
Homogenität bei gleichzeitiger Einhaltung ausreichender optischer Transparenz, hergestellt
werden, was ebenso die Herstellungskosten anhebt.
[0004] Außerdem sind verschiedene Möglichkeiten für die Reduktion von Silberverbindungen
zu reinem Silber bekannt. Dabei ist aber ein hoher Aufwand und/oder ein erhöhter Energieeinsatz
erforderlich.
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine Herstellung elektrisch
leitfähiger dünner Schichten auf Substratoberflächen anzugeben, die kostengünstig
und flexibel herstellbar sind und eine einfache Möglichkeit für eine Reduktion einer
Silberverbindung zu reinem Silber anzugeben.
[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 7 betrifft einen Silberkomplex und der Anspruch 8
eine Lösung des Silberkomplexes. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht
werden.
[0008] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung dünner elektrisch leitfähiger
Schichten aus Silber auf einer Oberfläche von Substraten wird so vorgegangen dass,
in einem ersten Verfahrensschritt Silbernitrat (AgNO
3) und 2-Pyrrolidon in einem Lösungsmittel, bevorzugt Wasser oder einem Ethanol-Wassergemisch
gelöst werden. Es können beispielsweise auch Wasser/Aceton oder Wasser/THF als Lösungsmittel
eingesetzt werden.
[0009] Im Anschluss an das Lösen kann die erhaltene Lösung direkt einem zweiten Verfahrensschritt
unterzogen werden. Es ist aber günstig, dass die Lösung bei Raumtemperatur unter Ausschluss
von Licht über mehrere Tage gehalten wird, und dabei ein Verdampfen von Flüssigkeit
erfolgt.
[0010] An Stelle von 2-Pyrrolidon könnte man auch 3-Pyrrolidon einsetzen. Aufgrund der abweichenden
Sauerstoffatomposition könnte sich eine andere Kristallstruktur und ein etwas anderes
Reduktionsverhalten zu Silber auftreten.
[0011] Im Anschluss an diesen Verfahrensschritt wird in einem zweiten Verfahrensschritt
die Lösung auf eine Oberfläche des zu beschichtenden Substrats aufgebracht und dann
nachfolgend in einem dritten Verfahrensschicht eine chemische Reduktion, die zur Trennung
von Silber von den anderen enthaltenen chemischen Komponenten führt, durch eine Bestrahlung
mit elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des UV-Lichts über
einen Zeitraum von mindestens 15 min, bevorzugt 20 min durchgeführt. Im Anschluss
daran wird bei einem vierten Verfahrensschritt eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur
von maximal 500 °C, bevorzugt bei 250 °C, besonders bevorzugt 220 °C über einen Zeitraum
von mindestens 30 min, bevorzugt 60 min durchgeführt und dabei eine zumindest nahezu
ausschließlich aus Silber gebildete Schicht auf der Oberfläche des Substrats erhalten.
In der Schicht können dabei Reste anderer chemischer Elemente und Verbindungen mit
einem Anteil < 2 % verbleiben.
[0012] Die maximale Temperatur richtet sich dabei nach der für ein zu beschichtendes Substrat
zulässigen Temperatur und ggf. nach der Schmelztemperatur von Silber. So sollte der
Substratwerkstoff durch die eingesetzte Temperatur nicht negativ beeinträchtigt werden
und sich zumindest weder verformen noch chemisch reagieren. Es sollten auch Diffusionsprozesse
mit im Substratwerkstoff enthaltenen Komponenten vermieden werden.
[0013] Im ersten Verfahrensschritt wird aus dem Silbernitrat und dem 2-Pyrrolidon [Ag(Pyl)2]NO3
- (C8H14Ag1N3O5) als Komplex gebildet, der kristallisieren kann. Dabei bildet sich
die monokline Raumgruppe C2/c (No. 15) mit vier Formeleinheiten zu einer Zelleinheit.
Die asymmetrische Einheit enthält die 2-Pyrrolidonmoleküle, ein halbes Silberatom,
ein halbes Nitratanion, die bestimmte Positionen einer zweifachen Achse, von denen
eine durch die N1-O4 Bindung führt, besetzen, wie dies aus der Darstellung von Figur
1 hervorgeht.
[0014] Das Silberatom weist eine gestörte irreguläre AgO
6 Geometrie auf, die aus zwei Sauerstoffatomen eines Pyrrolidonmoleküls und vier Sauerstoffatomen
des Nitratanions besteht. Die Abstände zwischen dem Silberatom und den Sauerstoffatomen
liegen im Bereich 2,358 bis 2,683 Angström. Die Nitratanionen haben eine Linkerfunktion
und verbinden die Struktur in 1-D-Polymerketten in eine Richtung. Die Silberatome
sind mit linearen Polymerketten durch µ
2-O Sauerstoffbrückenatomen mit signifikant größeren Abständen zwischen Ag1 und O4
von 2,683 Angström im Vergleich zum Abstand zwischen Ag1 zu O2 in Höhe von 2,536 Angström
angeordnet. In der Kristallstruktur sind die 1-D-Polymerketten im 2D-Netzwerk durch
intermolekulare N-H...O-Bindungen verbunden.
[0015] Um die Kristallisation des [Ag(Pyl)
2]NO
3 während des Auftrags auf die Substratoberfläche, die durch Verdampfen des Lösungsmittels
auftreten kann, zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren kann ein Pyrollidon-derivat
als Kristallisationsinhibitor, bevorzugt tert-Butylpyrrolidon mit einem Anteil von
mindestens 2-Masse-% bis maximal 20 Masse-% der Lösung zugegeben werden. Diese Zugabe
kann vor dem, während der Durchführung oder nach dem ersten Verfahrensschritt erfolgen.
Durch den Einsatz eines Kristallisationsinhibitors kann eine homogene und gleichmäßige
Silberschicht erhalten werden.
[0016] Beim ersten Verfahrensschritt zur Herstellung der Lösung sollte ein Verhältnis von
Wasser zu Ethanol von 1 zu 4, es können aber auch kleinere Anteile an Wasser gewählt
werden.
[0017] Bei Silber und 2-Pyrrolidon sollte ein Mol-Verhältnis von 1 zu 2 eingehalten werden.
[0018] Außerdem sollte während des ersten Verfahrensschritts jeglicher Einfluss elektromagnetischer
Strahlung vermieden und die Lösung in einem hermetisch geschlossenen optisch nichttransparentem
Behälter eingeschlossen sein.
[0019] Vor der Durchführung des zweiten Verfahrensschritts sollte die Oberfläche des Substrats
gereinigt werden. Hierfür kann eine geeignete Flüssigkeit, die unter Berücksichtigung
des Substratmaterials ausgewählt werden kann, eingesetzt werden. Bei einem Substrat
aus Glas kann dies beispielsweise "Piranha-Lösung", also eine wässrige Lösung von
Peroxomonoschwefelsäure sein. Es kann mit Ultraschallunterstützung gereinigt werden.
[0020] Der Auftrag der Lösung nach dem ersten Verfahrensschritt auf die Oberfläche des Substrats,
das neben dem bereits erwähnten Glas auch aus einem bevorzugt optisch transparenten
Polymer bestehen kann, kann durch ein Tauch-, Rotationsbeschichtung oder ein Druckverfahren
erfolgen. Es sollte lediglich gesichert sein, dass eine konstante Schichtdicke erreicht
werden kann, um über die beschichtete Fläche homogene elektrische und/oder optische
Eigenschaften der ausgebildeten Schicht zu erreichen.
[0021] Als Druckverfahren können beispielsweise und bevorzugt solche eingesetzt werden,
die der Nanoimprint Lithografie oder dem Mikrokontaktdrucken zuzuzählen sind. Damit
lassen sich auch geometrisch unterschiedlich strukturierte Schichten auf Substratoberflächen
herstellen. Dies ist auch mit Siebdrucktechnik möglich. In einfachster Weise kann
ein Substrat auch in die vorbereitete Lösung eingetaucht und wieder herausgezogen
werden (dipcoating), bevor der dritte und vierte Verfahrensschritt durchgeführt werden.
Die Ausbildung der Schichten kann auch durch Spincoating erfolgen.
[0022] Es sollte darauf geachtet werden, dass die mit der Erfindung ausgebildeten Schichten
eine maximale Schichtdicke von 200 nm nicht überschreiten sollten. Schichtdicken im
Bereich 50 nm bis 100 nm sind zu bevorzugen, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
einhalten zu können.
[0023] Das tert-Butylpyrrolidon kann aus 20 ml Tetrahydrofuran (THF), Triethylamin und tert-Butylamin
hergestellt werden, die mit Argon gespült und miteinander bei einer Temperatur von
0 °C vermischt werden. Der Mischung wird 4-Chlorbutyrylchlorid zugegeben und ein intensives
Rühren bei dieser Temperatur durchgeführt. Anschließend wird Triethyamin-Hydro-Chlorid
ausgefiltert und es wird ein zweifaches Waschen mit THF durchgeführt. Das erhaltene
Filtrat wird bei verringertem Umgebungsdruck konzentriert und das so erhaltene Ausgangsprodukt
mit Acetat vermischt und dann einmal mit HCL und zweimal mit Lauge gewaschen. Die
gebildete organische Phase kann auf einem Substrat mit MgSO4 getrocknet und das Lösungsmittel
bei reduziertem Druck entfernt werden.
[0024] Das dann erhaltene tert-Buty-4-Chlorbutanamid wird in THF gelöst und einer Lösung
von Kalium tert-Butylat mit THF zugegeben. Nach längerem Rühren im Eisbad kann diese
Mischung aus dem Behälter in ein anderes Behältnis gegeben und darin mit Ethylacetat
vermischt und dann zweimal mit Lauge gewaschen werden. Die erhaltene organische Phase
kann wieder mit MgSO
4 getrocknet und das Lösungsmittel mit Unterdruck entzogen werden. Nach einer Destillation
bei reduziertem Druck und einer Temperatur von 75 °C kann das tert-Butylpyrrolidon
als farblose Flüssigkeit erhalten werden.
[0026] Mit der Erfindung können ausreichend leitfähige dünne Silberschichten hergestellt
werden, die bei einer Dicke von 100 nm elektrische Schichtwiderstände < 10 Ω/□ aufweisen,
wobei es sich hier um einen Flächenwiderstand handelt, was mit dem "□" zum Ausdruck
gebracht ist.
[0027] Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.
[0028] Dabei zeigt Figur 1 - in schematischer Form die Linkfunktion von Nitratanionen, die
die 1-D-Polymerketten des [Ag(Pyl)
2]NO
3 verbinden.
[0029] Bei der Herstellung einer dünnen Silberschicht auf einem Substrat wurden zuerst 0,34
g (2 mmol) Silbernitrat in 1 ml deionisiertem Wasser gelöst. Zu dieser Lösung wurden
0,34 g (4 mmol) 2-Pyrrolidon gegeben. Bereits bei der Herstellung dieser Lösung oder
auch danach wurde der Einfluss elektromagnetischer Strahlung, insbesondere der von
Licht, durch geeignete Maßnahmen, wie z.B. durch den Einsatz eines strahlungsundurchlässigen
Gefäßes unterbunden.
[0030] Das gebildete Reaktionsprodukt [Ag(Pyl)
2]NO
3 kristallisiert während einer Lagerung bei normaler Raumtemperatur aus und das Wasser
als Lösungsmittel verdampft langsam.
[0031] Für die Herstellung dünner Schichten kann der vorzugsweise nach mehrtägiger Lagerung
der vorab in einem ersten Verfahrensschritt hergestellten Lösung zusätzliches Wasser
mit Ethanol zugegeben werden, so dass ein Verhältnis von Wasser zu Ethanol von 1 zu
4 eingehalten und eine 0,8 M Lösung erhalten worden ist.
[0032] Das Substrat wurde vorab mit einer aus einem Teil 30 % H
2O
2 und drei Teilen konzentrierter H
2SO
4 gebildeten Lösung über einen Zeitraum von 30 min gereinigt und anschließend mit deionisiertem
Wasser sorgfältig gewaschen und danach getrocknet.
[0033] Auf die Oberfläche des so vorbereiteten Substrats wurde die vorher hergestellte Lösung
mit dem [Ag(Pyl)
2]NO
3 durch eintauchen und wieder herausziehen aufgebracht und dann über einen Zeitraum
von 20 min mit elektromagnetischer Strahlung in einer UV-Box mit einem F-Strahler
bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgte im Wellenlängenbereich zwischen 280 nm und 400
nm, so dass ein Teilbereich der eingesetzten Strahlung oberhalb 315 nm und der Rest
im UV-Bereich lag.
[0034] Bei dieser Bestrahlung erfolgt die Reduktion des [Ag(Pyl)
2]NO
3 und es wurde reines Silber erhalten.
[0035] Im Anschluss daran erfolgte eine Wärmebehandlung bei der mit einer Heizrate von 5
K/min auf eine maximale Temperatur von 220 °C erwärmt und die Temperatur über 60 min
gehalten wurde, um die restlichen Bestandteile des Pyrrolidons zu entfernen.
[0036] Dabei konnte eine ca. 100 nm dicke Schicht auf dem Substrat erhalten werden, die
einen elektrischen Widerstand von < 10 Ω/□ aufwies.
[0037] Bei einem Auftrag der Lösung auf die Substratoberfläche durch Mikrokontaktdruck konnte
eine Schichtdicke von 60 nm der Silberschicht erreicht werden. Es können dabei Linienstrukturen
mit einer Breite von 20 µm gedruckt werden. Es besteht aber die Möglichkeit kleinere,
filigranere Strukturen bis in den "Nanometerbereich" zu drucken.
[0038] Der mit dem ersten Verfahrensschritt erhaltenen Lösung können zur Unterdrückung der
Kristallisation des [Ag(Pyl)
2]NO
3 Komplexes 10 Masse-% des Pyrrolidondervats tert-Butylpyrrolidon zugegeben werden.
Dadurch kann eine Fehlordnung in der Polymerkette erreicht werden, die die Kristallisation
verhindert, was das Auftragen der Lösung auf die Substratoberfläche erleichtert.
1. Verfahren zur Herstellung dünner elektrisch leitfähiger Schichten aus Silber auf einer
Oberfläche von Substraten, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt Silbernitrat
und 2-Pyrrolidon in einem Lösungsmittel, bevorzugt Wasser oder einem Ethanol-Wassergemisch
gelöst und dabei durch Komplexierung die Bildung von [Ag(Pyl)2]NO3 erfolgt und im Anschluss an diesen Verfahrensschritt in einem zweiten Verfahrensschritt
die Lösung auf eine Oberfläche des zu beschichtenden Substrats aufgebracht und dann
in einem dritten Verfahrensschicht eine chemische Reduktion, die zur Trennung von
Silber von den anderen enthaltenen chemischen Komponenten führt, durch eine Bestrahlung
mit elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des UV-Lichts über
einen Zeitraum von mindestens 15 min und im Anschluss daran bei einem vierten Verfahrensschritt
eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von maximal 500 °C, bevorzugt bei 220 °C
über einen Zeitraum von mindestens 30 min, bevorzugt 60 min durchgeführt und dabei
eine zumindest nahezu ausschließlich aus Silber gebildete Schicht auf der Oberfläche
des Substrats erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im ersten Verfahrensschritt erhaltene Lösung bei Raumtemperatur unter Ausschluss
von Licht über mehrere Tage gehalten wird, und dabei ein Verdampfen von Flüssigkeit
erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim vierten Verfahrensschritt eine Heizrate im Bereich von 3K/min bis 10 K/min,
bevorzugt von 5 K/min eingehalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Molverhältnis von Silber zu 2-Pyrrolidon von 1 zu 2 eingehalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim oder unmittelbar nach dem ersten Verfahrensschritt der Lösung ein Pyrrolidonderivat,
bevorzugt tert-Butylpyrrolidon mit einem Anteil von mindestens 2-Masse-% bis maximal
20 Masse-% zugegeben wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt die Beschichtung mit einem Druck- oder Tauchverfahren
durchgeführt wird.
7. Kristalliner Silberkomplex mit der Formel [Ag(2-Pyrollidon)2]NO3, herstellbar durch Kristallisieren eines Komplexes von Silbernitrat und 2-Pyrrolidon,
wobei sich eine monokline Raumgruppe C2/c mit vier Formeleinheiten zu einer Zelleinheit
bildet.
8. Lösung des Silberkomplexes nach Anspruch 7 enthaltend Silbernitrat, 2-Pyrrolidon,
Wasser und ein weiteres organisches Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung zusätzlich tert-Butylpyrrolidon aufweist.
9. Lösung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung als weitere organische Lösungsmittel Ethanol und Tetrahydrofuran oder
Aceton enthält.
1. A method for producing thin electrically conductive layers of silver on a surface
of substrates, in which
in a first method step silver nitrate and 2-pyrrolidone are dissolved in a solvent,
preferably water or an ethanol/water mixture, and in so doing the formation of [Ag(Pyl)2]NO3 takes place by complexing, and following this method step
in a second method step the solution is applied to a surface of the substrate to be
coated, and then
in a third method step a chemical reduction, which results in the separation of silver
from the other chemical components contained, is carried out by irradiation with electromagnetic
radiation from the wavelength spectrum of UV-light over a period of at least 15 min.,
and following thereon
in a fourth method step a heat treatment is carried out at a temperature of at most
500°C, preferably at 220°C over a period of at least 30 min, preferably 60 min, and
in so doing a layer formed at least virtually exclusively of silver on the surface
of the substrate is obtained.
2. A method according to Claim 1, characterised in that the solution obtained in the first method step is kept at room temperature with light
excluded for several days, and in so doing evaporation of liquid takes place.
3. A method according to Claim 1 or 2, characterised in that in the fourth method step a heating rate in the range from 3K/min to 10 K/min, preferably
of 5 K/min, is maintained.
4. A method according to one of the preceding claims, characterised in that a molar ratio of silver to 2-pyrrolidone of 1 to 2 is maintained.
5. A method according to one of the preceding claims, characterised in that in or directly after the first method step a pyrrolidone derivative, preferably tert.
butylpyrrolidone with a proportion of at least 2 mass % to a maximum of 20 mass %
is added to the solution.
6. A method according to one of the preceding claims, characterised in that in the second method step the coating is carried out with a printing or dipping process.
7. A crystalline silver complex having the formula [Ag(2-pyrrolidone)2]NO3, produceable by crystallising a complex of silver nitrate and 2-pyrrolidone, wherein
a monoclinic space group C2/c with four formula units to a cell unit is formed.
8. A solution of the silver complex according to Claim 7 containing silver nitrate, 2-pyrrolidone,
water and a further organic solvent, characterised in that the solution additionally contains tert. butylpyrrolidone.
9. A solution according to Claim 8, characterised in that the solution contains ethanol and tetrahydrofuran or acetone as further organic solvents.
1. Procédé de fabrication de couches minces d'argent, conductrices de l'électricité,
sur une surface de substrats, dans lequel
dans une première étape, on dissout du nitrate d'argent et de la 2-pyrrolidone dans
un solvant, de préférence l'eau ou un mélange éthanol-eau, une complexation conduisant
alors à la formation de [Ag(Pyl)2]NO3, puis, après cette étape,
dans une deuxième étape, on applique la solution sur une surface du substrat à revêtir,
puis
dans une troisième étape, on procède à une réduction chimique, qui conduit à la séparation
de l'argent d'avec les autres composants chimiques contenus, par une irradiation avec
un rayonnement électromagnétique ayant le spectre de longueurs d'onde de la lumière
UV, sur un laps de temps d'au moins 15 min, puis
dans une quatrième étape, on procède à un traitement thermique à une température au
maximum de 500 °C, de préférence de 220 °C, sur un laps de temps d'au moins 30 min,
de préférence de 60 min, en obtenant alors, sur la surface du substrat, une couche
formée au moins presque exclusivement d'argent.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solution obtenue dans la première étape est maintenue pendant plusieurs jours
à la température ambiante à l'abri de la lumière, ce qui conduit à une évaporation
du liquide.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on maintient dans la quatrième étape une vitesse de montée en température comprise
dans la plage de 3 K/min à 10 K/min, de préférence de 5 K/min.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on maintient un rapport en moles de l'argent à la 2-pyrrolidone de 1:2.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la première étape ou immédiatement ensuite, on ajoute à la solution un dérivé
de pyrrolidone, de préférence la tert-butylpyrrolidone, selon une proportion d'au
moins 2 % en masse à un maximum de 20 % en masse.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la deuxième étape, on met en oeuvre le revêtement par un procédé sous pression
ou au trempé.
7. Complexe cristallin d'argent ayant la formule [Ag(2-pyrrolidone)2]NO3, pouvant être fabriqué par cristallisation d'un complexe de nitrate d'argent et de
2-pyrrolidone, un groupe spatial monoclinique C2/c à quatre unités formulaires formant
une cellule élémentaire.
8. Solution du complexe d'argent selon la revendication 7, contenant du nitrate d'argent,
de la 2-pyrrolidone, de l'eau et un autre solvant organique, caractérisée en ce que la solution comprend en outre de la tert-butylpyrrolidone.
9. Solution selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle contient en tant qu'autres solvants organiques de l'éthanol et du tétrahydrofuranne
ou de l'acétone.