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In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, OTS-, MPTMS-, und MPTMS/OTS gemischte SAMs aus der Lösung auf SC-1 chemisch oxidierten Siliziumwafern („SiO2“) zu präparieren. Die Adsorption der OTS oder MPTMS SAMs auf SiO2 wird von zwei konkurrierenden Reaktionen bestimmt, d.h. „Selbstaggregation” in der Ausgangslösung und “Oberflächendehydration” des SiO2 -Substrates. Die beiden Alkylsiloxan-SAMs weisen unterschiedliches Bildungsverhalten auf. Die Reifungsdauer der Ausgangslösung vor der Adsorption wirkt sich signifikant auf die Bildung der OTS SAMs aus, demgegenüber ist bei MPTMS SAMs kein Einfluß zu beobachten. Für OTS SAMs sind große Dendriten oftmals von kleinen Rundinseln umgeben, dagegen für MPTMS SAMs treten prinzipiell nur sporadisch verteilte kleine Rundinseln auf. Die Abwesenheit des Chlor-Signals in XPS-Spektren bestätigt, dass innerhalb der Adsorption die Si-Cl Bindungen der OTS-Moleküle zum größten Teil hydrolysiert werden. Doch für MPTMS SAMs ist in C 1s-Spektren ein Peak bei 286.4 eV, der der unhydrolysierten Si-OCH3 Bindung entspricht, zu beobachten. Die Hydrolysefähigkeit der Si-Cl Bindung des OTS ist erwartungsgemäß stärker als jene der Si-OCH3 Bindung des MPTMS. Diese Tendenz samt dem Unterschied in der Alkylkettenlänge wirkt sich beträchtlich auf die Bildung und die Morphologie der adsorbierten Inseln aus. Bei gleicher Konzentration (5 mM) und Reifungsdauer der Ausgangslösung bilden sich OTS SAMs viel schneller als MPTMS SAMs bei Raumtemperatur. Sie hat auch eine größere Oberflächenbedeckung wegen der seitlichen Vernetzung zur Folge. Diese Beobachtung zeigt eine prognostizierbare kinetische Schwierigkeit zur Präparation der OTS/MPTMS gemischten SAMs durch Koadsorption. Grund hierfür ist, dass die Adsorption voraussichtlich von OTS-Molekülen dominiert wird. Darüber hinaus ist Aggregation zwischen hydrolysierten OTS- und MPTMS-Molekülen nicht ausgeschlossen. Neben der Koadsorption steht in der zweistufigen Adsorption ein weiteres herkömmliches Verfahren zur Verfügung. Das Endprodukt kann nach der Reaktionsreihe der Silane mit „OTS+MPTMS“ oder „MPTMS+OTS“ gemischte SAMs bezeichnet werden. Unter Berücksichtigung der individuellen Oberflächenbedeckung und Morphologie wurde eine Rezeptur aufgestellt, in der die Adsorption jeweils höchstens 30s (für OTS) und 20 min (für MPTMS) dauert. Angesichts der vielfältigen Inselstruktur, d.h. Monoschicht, polymerisierte Bälle, und sogar Multischicht, ist eine Phasenunterscheidung nach der Dicke, z.B. mittels AFM, nicht zu erwarten. Die Existenz der lateralen unvernetzten Si-OH Gruppen der adsorbierten OTS-Inseln könnte die Präparation der homogenen OTS+MPTMS gemischten SAMs erschweren. In diesem Fall ist es fraglich, ob die hydrolysierten MPTMS-Moleküle vollständig wie geplant mit oberflächnahen OH-Gruppen von SiO2 reagieren. Mit einer umgekehrten Reaktionsreihe löst sich das Problem von selbst, da die adsorbierten MPTMS-Inseln hauptsächlich unhydrolysierte seitliche Si-OCH3 Gruppen besitzen. Die morphologische Erkennbarkeit unterstützt die Machbarkeit der Präparation der MPTMS+OTS gemischten SAMs. Die unterschiedlichen Messmodi des AFM, mit denen die Morphologie der OTS SAMs aufgenommen wurde, ergaben deutliche Unterschiede in ihrem Erscheinungsbild. Im Vergleich zum Tappingmodus sind die Grenzen der OTS-Inseln auf Kontaktmodus-Bildern nur undeutlich erkennbar. Die großen Inseln erscheinen nicht so dendritisch. Die Ursache dieser Phänomene könnte am Wassermeniskus zwischen Spitze und Probe liegen, da die Messung nicht in Flüssigkeit, sondern an Luft durchgeführt wurde. Auf LFM-Bildern sind die adsorbierten OTS-Inseln heller als unbedecktes SiO2, während die MPTMS-Inseln dunkler als SiO2 aussehen. Eine ähnliche Auswirkung der Messmodi auf die Morphologie der MPTMS SAMs wurde nicht beobachtet. Durch die Adsorption von 1-Decanthiol lässt sich die Si3N4-AFM-Spitze modifizieren. Eine solche CH3-terminierte Spitze ist hydrophob und verursacht einen gegenteiligen Helligkeitskontrast auf LFM-Bildern der adsorbierten OTS-Inseln.
Methoden zur Präparation und Charakterisierung von time dependent haze auf Siliziumoberflächen
(2002)
Zwischen der Herstellung von Siliziumwafern und ihrer weiteren Verarbeitung zu Halbleiterbauelementen liegt eine Zeitspanne, in welcher die Scheiben in Kunststoffboxen aufbewahrt werden. Während dieser Lagerung kann es zu einem Ansteigen der Oberflächenrauhigkeit kommen. Dieses Phänomen wird als Time Dependent Haze (TDH) bezeichnet und durch chemische Prozesse von Verunreinigungen auf der Siliziumoberfläche verursacht. Diese Kontaminationen entstammen dem Kunststoff der Transportboxen, der Reinraumluft oder den Chemikalien der naßchemischen Waferreinigung. Time Dependent Haze wurde künstlich hergestellt und charakterisiert. Die Präparationen erfolgten in verschiedenen Versuchsreihen mit organischen und anorganischen Verbindungen. Diese gezielten Kontaminationen erlauben Rückschlüsse auf Substanzen und Einflußgrößen, welche TDH verursachen. Nach einer Lagerungsperiode wurden die Siliziumoberflächen mittels Streulichtmessungen untersucht. Das Auftreten von Licht-Punkt-Defekten diente als Maßstab für die TDH-Bildung. Mit verschiedenen analytischen Methoden, insbesondere dem Rasterkraftmikroskop, wurde TDH in einem frühen Entstehungszustand untersucht. Präparationen mit flüchtigen organischen Verbindungen zeigten, daß solche Substanzen TDH erzeugten, die sowohl einen hohen Dampfdruck als auch eine gute Wasserlöslichkeit besitzen. Beide Eigenschaften sind notwendig, um über die Gasphase auf die hydrophile Oberfläche eines Wafers zu gelangen. Die Morphologie dieses TDH fiel sehr unterschiedlich aus. Im Fall der Präparation mit Aceton enstanden Partikel von wenigen Nanometern Durchmesser. Die gezielte Verunreinigung mit Tetrahydrofuran führte zu einem Kontaminationsfilm mit einer sehr geringen Mikrorauhigkeit. Anorganische Verbindungen wie beispielsweise Schwefelsäure, die in der Waferreinigung Verwendung findet, können bei fehlerhaften Reinigungsschritten TDH bilden. Unter dem Einfluß einer solchen Lösung, bestehend aus H2SO4/H2O2, entstanden sulfathaltige Kristallite, welche im Verlauf der Waferlagerung agglomerierten. Das gleiche Resultat ergab eine Präparation, bei der Siliziumwafer einer Atmosphäre aus Schwefeldioxid ausgesetzt waren. Sehr wahrscheinlich existieren die Kristallisationskeime bereits unmittelbar nach der Präparation. Aufgrund ihrer geringen Größe können diese von der Streulichtmessung nicht als Partikel erfaßt werden. Erst nach mehr monatiger Waferlagerung ist das Kristallwachstum soweit fortgeschritten, daß das untere Detektionslimit der Streulichtmethode erreicht wird und die Partikel als solche registriert werden können. Auf Wafern mit organischem TDH konnte Kupfer nachgewiesen werden. Dieses Metall ist als Verunreinigung im Reinstsilizium enthalten. Es diffundiert innerhalb der Lagerungsperiode zur Oberfläche und scheidet sich ab. Dort fungiert Kupfer als Nukleationszentrum für Kontaminanten und fördert auf diese Weise die TDH-Entstehung. Experimente mit mehreren Einflußgrößen, bei welchen Siliziumwafer verschiedenen Parametern gleichzeitig ausgesetzt waren, zeigten synergetische Effekte in Bezug auf die Bildung von Time Dependent Haze. Im Vergleich zu Präparationen mit nur einem Kontaminanten lag die Zahl der neu entstandenen Licht-Punkt-Defekte unerwartet hoch. Innerhalb dieser Versuchsmatrix hatten die Anwesenheit von Ammoniumsulfat und eine hohe Luftfeuchtigkeit einen deutlichen Einfluß auf die TDH-Entstehung. Die Siliziumoberfläche wird durch einzelne Substanzen aktiviert und die Abscheidung weiterer Kontaminationen dadurch erhöht. Eine nähere Untersuchung von TDH bestehend aus verschiedenen Kontaminanten erfolgte mit Hilfe des Pulsed Force Mode/AFM. Diese Methode ermöglicht anhand der Bestimmung der Adhäsion zwischen einer AFM-Meßspitze und der Oberfläche die Unterscheidung verschiedener Materialien mit der hohen Auflösung eines Rasterkraftmikroskops. Zu Beginn der Untersuchungen erfolgte eine Evaluation der Methode. Dabei zeigte sich, daß die Adhäsion unbeeinflußt von der Partikelgröße ist. Das Adhäsionssignal ist abhängig vom Radius der AFM-Spitze und von der umgebenden Luftfeuchtigkeit. Dieses Signal setzt sich zusammen aus der Oberflächenenergie des Materials und aus dem Wasser- und Kontaminationsfilm, welcher die Oberfläche bedeckt. Adhäsionsmessungen an kontaminierten Wafern zeigten außer der rasterkraftmikroskopischen Abbildung der Oberfläche zusätzliche Strukturen. Diese deuten auf das gleichzeitige Auftreten von TDH-Partikeln mit unterschiedlicher Zusammensetzung hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigten ein bereits existierendes Modell zur Entstehung von Time Dependent Haze. Unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse konnte dieses Modell erweitert werden.
Silicon wafers such as Silicon on Insulator (SOI) and strained silicon on Insulator (sSOI) are the essential and basic materials of advanced microelectronic devices. However, they often show various kinds of crystal defects which impair the function of these devices. The most efficient method to date, for detecting such defects and for determining their density, is to delineate them by etching the wafers with a suitable etching solution and characterise them via light optical microscopy. Etch pits are formed at defect sites which are etched at a faster rate than at the perfect lattice. The standard etching solution used for SOI and sSOI is a dilute version of Secco. As Secco contains carcinogenic and environmentally hazardous chromium (VI), the use of which is or will be restricted by law in many countries, suitable chromium (VI)-free etching solutions like Organic Peracid Etches (OPE), modified Chemical Polishing Etches (CP) like CP4 mod and mixtures with organic oxidizing agents like chloranil (CA) have been developed for the successful delineation of various types of crystal defects.
However there are still nanometer-sized defects which are hard to detect or escape detection by this method. Copper decoration is a well known method to magnify these defects. It consists in applying a copper nitrate solution to the back of the SOI or sSOI wafer. On annealing, copper diffuses through the substrate and the BOX (buried oxide) to the SOI/sSOI film and on quenching to room temperature, copper precipitates as copper silicide, SiCu3, foremost at crystal defects where the lattice strain is greater than at perfect lattice sites. These silicides increase the volume in these parts of the crystal lattice and defect magnification occurs. A considerable disadvantage of this method is its tendency for artefact formation, when the copper concentration used is too high, with the copper precipitating at the film surface. The consequence is a higher density of etch pits whereby true defect etch pits cannot be differentiated from those caused by artefacts.
The aim of this thesis is to show that the processes of decorating and etching can be combined successfully to delineate all crystal defects in SOI and sSOI. An ideal result would have been to find a copper decoration procedure that decorates all existing crystal defects at a copper concentration that avoids artefact formation.
Die vorliegende Arbeit fasst folgende experimentellen Arbeiten zusammen: • Synthese von amorphem, schwarzem, basischem Silicium Si am,schw,ox und amorphem, schwarzem, nicht basischem Silicium Siam,schw durch Reduktionsreaktion von Siliciumtetrachlorid mit Natrium. • Reaktivität des amorphen Siliciums Si am gegenüber verschiedenen Gasen: Cl2, HCl, CH3Cl • Reaktivität von Si am gegenüber Alkoholen bei Raumtemperatur. • Reaktivität von Si am gegenüber Alkoholen und Essigsäure in einem geschlossenen System, nicht katalysiert/katalysiert durch Cu(I)Cl und Cu(I)O. • Reaktivität von Si am,schw,ox und Si am,schw gegenüber Alkoholen und Essigsäure in einem offenen System (Ofen, „slurry phase“-Reaktor), nicht katalysiert/katalysiert durch Cu(I)Cl und Cu(I)O. • Thermische und katalytische Disproportionierungsreaktionen von Methylmethoxysilanen, katalysiert durch Alkalimetalle (Na), salzartige Verbindungen (Ca(OH)2, MgSO4/C, Na2SO4/C und (NH4)2SO4/C) und Lewis-Säuren (AlCl3). • Komproportionierung zwischen Trimethylmethoxysilan und Methyltrimethoxysilan Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in Untersuchung der chemischen Reaktivität von amorphem Silicium Si am, synthetisiert durch Na-Reduktion von Siliciumtetrachlorid, gegenüber verschiedenen Gasen, wie z. B. Chlorgas, Chlorwasserstoff und Methylchlorid, gegenüber Alkoholen, wie z. B. Methanol, Ethanol und Phenol und gegenüber Essigsaure unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen. Die Reaktion zwischen amorphem Silicium Si am und Cl2-Gas führt bei 240-250°C zu Tetrachlorsilan SiCl4 als einziges Produkt. Die Reaktion mit HCl-Gas liefert im Temperaturbereich zwischen 360-370°C zwei Produkte: 15% Dichlorsilan, H2SiCl2 und 85% Trichlorsilan, HSiCl3. Im Temperaturbereich zwischen 370-420°C entstehen drei Produkte: 36,4% Dichlorsilan H2SiCl2, 58,5% Trichlorsilan HSiCl3 und 5,1% Tetrachlorsilan SiCl4. Über eine Temperaturführung kann die Produktbildung wesentlich beeinflusst und damit auch gesteuert werden. Durch eine Reaktion mit Methylchlorid bei 560°C entstehen zwei Produkte: 79% Methyltrichlorsilan CH3SiCl3 und 21% Dimetyldichlorsilan (CH3)2SiCl2. Basisches Silicium Siam,schw,ox liefert in den Reaktionen mit Alkoholen und Essigsäure unter Rückfluss-Bedingungen (Temperaturen zwischen 20 und 420°C; offene Reaktionssysteme) jeweils ein einziges Produkt und führt mit den korrespondierenden Partnern selektiv zu Tetramethoxy-, Tetraethoxy-, Tetraphenoxy- und Tetraacetoxysilan. Diese Reaktionen werden durch die im eingesetzten Siam/NaCl-Gemisch vorhandene Base (NaOH, Na2Ox; x = 1, 2) katalysiert. Gemischte Alkylalkoxysilane oder Siloxane entstehen unter den vorgegebenen Bedingungen nicht. Silicium setzt sich dabei in den Reaktionen mit Methanol und Ethanol vollständig um. Werden die Bedingungen modifiziert und die Reaktionen in geschlossenen Systemen (Reaktionsampullen) bei 150°C, katalysiert durch 5 Gew. % Cu(I)Cl im Mol-Verhältnis Si am,schw,ox/CH3OH 1:3 und 1:4 durchgeführt, wird Trimethoxysilan in 91% und 84% Ausbeute gewonnen. Der Produktbildungsweg führt offensichtlich über die Katalyse eines Komplexes Na+[Cu(OH)Cl]-, der in situ aus Cu(I)Cl und NaOH gebildet wird. Nicht basisches Silicium, Siam,schw, reagiert mit Methanol bei Raumtemperatur zu Trimethoxysilan HSi(OCH3)3 (16-18%) und zu Tetramethoxysilan Si(OCH3)4 (84-82%). Die Produktbildung kann durch Änderungen Reaktionsbedingungen in Richtung von Trimethoxysilan verschoben werden. So entsteht Trimethoxysilan in einer geschlossenen Ampulle zu 95% als Hauptprodukt der Reaktion zwischen amorphem Silicium und Methanol im Mol-Verhältnis 1:3 in Anwesenheit von NH4HF2 als Aktivator. 84,5% Trimethoxysilan entstehen in einer Ampulle bei 200°C nach 5 Stunden Reaktionszeit, dann wenn Methanol im stöchiometrischen Verhältnis 8:1 eingesetzt wird. Der Umsatz an Silicium ist praktisch vollständig (100%). Wird die Reaktion zwischen Siam,schw und Methanol in einem „slurry phase“-Reaktor durchgeführt, resultiert eine Abhängigkeit der Produktausbeute vor allem vom Lösungsmittel, dann aber auch von den weiteren Bedingungen. In Dodecylbenzol entsteht das Trimethoxysilan bei 230°C und mit Cu(I)O als Katalysator zu 72% in einer 8-stündigen Reaktion. Unter vergleichbaren Bedingungen, aber in Isoparaffinöl bildet sich Trimethoxysilan zu 61%. In einem modifizierten „slurry phase“-Reaktor, in dem die Produkte mit überschüssigem Methanol sofort aus der Reaktion abgeführt werden, entsteht das Trimethoxysilan nicht. Allerdings bilden sich in diesem Fall methylierte Methoxysilane. Der Umsatz an Silicium hängt auch von der Temperatur des Methanol-Dampfes ab. Wird die Temperatur zwischen 150-200°C gehalten, werden 49% des Siliciums umgesetzt. Ansonsten beträgt die Umsatzrate des Siliciums 20-25%. Amorphes, schwarzes, basenfreies Silicium, Si am,schw, reagiert bei 150°C mit Ethanol im Mol-Verhältnis 1:3 zu 91% und bei 200°C (Mol-Verhältnis Si : EtOH 1:8) zu 86% Triethoxysilan, HSi(OEt)3. Die Reaktion zwischen nicht basischem Silicium Si am,schw und Essigsäure liefert in der Siedehitze kein Tetraacethoxasilan, sondern nur Polyacethoxysilane mit einem Polymerisationsgrad von n = 2, 3, in einer Ampulle bildet sich jedoch ein Gemisch aus Tetraacetoxysilan und verschiedenen Acethoxypolysilanen. Die Polysilanbildung verstärkt sich mit zunehmender Reaktionstemperatur und –dauer. Die Reaktion zwischen Si am,schw und Essigsäure in einem offenen System (Ofen) liefert bei 300°C außer Tetraacetoxysilan ein Gemisch von Acethoxypolysilanen mit n=2-6. Versuche zur Bildung von Phenoxsilanen aus Si am,schw. und Phenol schlugen bei Temperaturen zwischen 150-300°C fehl. Das MALDI-TOF-MS-Spektrum einer bei 225-230°C im Vakuum siedenden Fraktion, die aus Reaktion von Si am,schw mit Phenol bei 420°C im Ofen entstanden ist, zeigt Spuren von Tetraphenoxysilan und organische Polymere mit dem Molekulargewichht bis zu 960 Dalton. Während Umsetzungen von amorphem Silicium mit Methanol in geschlossenen Reaktionsampullen Trimethoxysilan und Tetramethoxysilan als Hauptprodukte liefern, bilden sich in einem offenen System methylierte Methoxysilane MenSi(OMe)4-n (n=1, 2) in unterschiedlichen Ausbeuten. Dimethyldimethoxysilan entsteht aus basischem Silicium Siam,schw,ox nicht; selbst durch Katalysatorzusatz entsteht das gewünschte Produkt nur in Spuren. Die Monomethylierung verläuft dagegen erfolgreicher. Die höchste Ausbeute an Methyltrimethoxysilan (33,7%) wird bei 320°C mit 20 Gew. % Cu(I)Cl als Katalysator erzielt. Völlig anders verhält sich nicht basisches Silicium Si am,schw , denn es reagiert mit Methanol in einem offenen System bei 350°C zu 13% Dimethyldimethoxysilan (CH3)2Si(OCH3)2, und 37% Methyltrimethoxysilan CH3Si(OCH3)3. In Reaktionen mit größeren Silicium-Mengen (Si-Gehalt: 39-60 mmol) entstehen in einem nicht gerührten Reaktionsreaktor nach 20’ Minuten Reaktionszeit bei 300°C 26% Dimethyldimethoxysilan (CH3)2Si(OCH3)2 und nach 45’ Minuten Reaktionszeit 49,5% Methyltrimethoxysilan CH3Si(OCH3)3. In einem nicht gerührten Reaktionsrohr entstehen nach 3 Stunden Reaktionszeit 25-30% Dimethyldimethoxysilan bei 300°C und mit 20 Gew. % Kupfer(I)Chlorid als Katalysator. In einem gerührten Reaktionsrohr bilden sich bei 350°C und mit 20 Gew. % Cu(I)Cl nach 3-stündiger Reaktion 23,5% (CH3)2Si(OCH3)2 und 53,3% CH3Si(OCH3)3. Das Vorhandensein des Katalysators erhöht die Ausbeute an methylierten Methoxysilanen in den Reaktionen zwischen nicht basischem Silicium und Methanol. Aus dem Verlauf der Reaktion im Ofen lässt sich schließen, dass die größte Menge des Dimethyldimethoxysilans, (CH3)2Si(OCH3)2, während der ersten 20-40 Minuten entsteht. Danach sinkt der Anteil mit zunehmender Reaktionszeit, es bilden sich verstärkt die festen Dimethyloligosiloxane. Die Ausbeute an Tetramethoxysilan, Si(OCH3)4, wächst mit der Reaktionszeit kontinuierlich. Dagegen bleibt die Ausbeute an Methyltrimethoxysilan, CH3Si(OCH3)3, während 3-stündiger Reaktion relativ konstant. Die Bildung aller drei Produkte wurde zwischen 300° und 350°C detailliert verfolgt. Nur ca. 20% des Siliciums setzen sich zu den flüchtigen Produkten um, rund 80% Silicium bleiben in fester Form als nicht abreagiertes Silicium und als feste Oligodimethylsiloxane erhalten. Eine nicht katalysierte Reaktion zwischen Si am,schw und Ethanol liefert nach 3h Reaktionszeit in einem nicht rührenden Reaktor etwa 23% HSi(OCH3)3 und etwa 72% Si(OEt)4. Etylenethoxysilane oder -siloxsane bilden sich nicht. Zum Weiteren ist es gelungen, Dimethyldimethoxysilan durch Disproportionierungsreaktion aus Methyltrimethoxysilan und Tetramethoxysilan über metallischem Natrium im Mol-Verhältnis 1:1 in einer Ampulle bei 250°C herzustellen. Aus Disproportionierung von Methyltrimethoxysilan sind 12% Dimethyldimethoxysilan zu erhalten. Die Disproportionierung von Tetramethoxysilan führt zu 27% Dimethyldimethoxysilan, (CH3)2Si(OCH3)2, 34% Methyltrimethoxysilan, CH3Si(OCH3)3, und 11% Trimethylmethoxysilan, (CH3)3SiOCH3. Die Menge des eingesetzten Natriums muss in weiteren Arbeiten noch optimiert werden. Eine Komproportionierungsreaktion zwischen Trimethylmethoxysilan, (CH3)3SiOCH3, und Methyltrimethoxysilan, CH3Si(OCH3)3, zu Dimethyldimethoxysilan, (CH3)2Si(OCH3)2, fand unter den in dieser Arbeit beschriebenen Bedingungen nicht statt. Diese Ergebnisse sind ein im Labormaßstab chlorfreies Verfahren zur Herstellung von methylierten Methoxysilanen. Unter der Voranstellung der Aufskalierbarkeit wird damit eine neue Route eines möglicherweise technisches Prozesses (das Q-Verfahren) zu Darstellung von Siliconen zugänglich; diese führt wie folgt aus: Siliciumtetrachlorid → amorphes Silicium → Tetramethoxysilan/Tetraethoxysilan/Tetraacetoxysilan → Methylmethoxysilane → Silicone. Es gilt nun, die Synthesebedingungen nach erfolgreicher Optimierung in den Pilotmaßstab zu überführen. Die Synthese von Trimethoxysilan, HSi(OCH3)3, erscheint bereits jetzt schon den Bedingungen des technisch durchführenden Cromptonprozesses überlegt zu sein. Diese bietet jedoch den Vorteil, von technisch verfügbarem Silicium anzugehen. Eine exakte und vergleichende Prozess-Analyse wird darüber Aufschluss geben, ob die in dieser Arbeit erworbenen Ergebnisse zu einer technischen Umsetzung führen.
Poly(pyrazol-1-yl)borate, die sogenannten Skorpionate, repräsentieren eine der etabliertesten Ligandenklassen in der Koordinationschemie und finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit zahlreiche Anwendungen. In den letzten Jahren hat sich ein besonderes Interesse an Bis- und Tris(pyrazol-1-yl)boratliganden entwickelt, die mehrere Skorpionateinheiten im selben Molekül vereinen und dadurch kooperative Effekte zwischen den Metallionen fördern. Diese Liganden können sowohl Einsatz in der homogenen Katalyse als auch in den Materialwissenschaften finden. Die bisher in unserer Arbeitsgruppe entwickelten ditopen Bis(pyrazol-1-yl)borate des Typs L (Abb. 3.1) weisen allerdings eine recht hohe Hydrolyseempfindlichkeit auf, deren Ursache wahrscheinlich im elektronenschiebenden Charakter und der Raumerfüllung der Alkylsubstituenten begründet liegt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher zunächst die ditopen Skorpionatliganden M2[3] und M2[6] mit Phenyl- und Pentafluorphenylsubstituenten dargestellt, die in darauf folgenden Hydrolysestudien eine im Vergleich zu L erheblich höhere Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit zeigten. Die Umsetzungen der Liganden Li2[Lpara] (Dissertation Dr. Susanne Bieller; Frankfurt 2005) und Li2[6] mit MnII-chlorid verdeutlichten, dass sich das C6F5-substituierte Heteroskorpionat auch in Bezug auf sein koordinationschemisches Verhalten vom tertButyl-substituierten Liganden unterscheidet. Während Li2[Lpara] mit MnCl2 zu einem chlorid-überbrückten, makrozyklischen, dinuklearen Mangankomplex reagiert, wird mit Li2[6] das in Abb. 3.2 dargestellte Koordinationspolymer {(MnCl2)2(Li(THF)3)2[6]}∞ erhalten. Die Ladung der anionischen Polymerkette wird durch Lithium-Gegenionen ausgeglichen. Um die Bildung von diskreten Komplexen einerseits bzw. von Koordinationspolymeren andererseits gezielt steuern zu können, wurden die mit sterisch anspruchsvollen Pyrazolylsubstituenten versehenen Liganden M2[4], M2[5] und M2[7] (Abb. 3.1) dargestellt. Im Zuge der Kristallisation von Li2[4] zeigte sich, dass diese Verbindung eine hohe Affinität für Chloridionen besitzt. Auch in Anwesenheit eines Überschusses Kronenether führen Spuren des Halogenids zur Ausbildung des in Abb 3.3 gezeigten dinuklearen, chloridverbrückten Lithiumkomplexes Li2Cl[4]. Die ausgeprägte Komplexbildungstendenz lässt Li2Cl[4] im Hinblick auf die Entwicklung von Anionenrezeptoren interessant erscheinen. Komplexe, in denen zwei Metallionen durch zwei Heteroskorpionatliganden in eine makrozyklische Struktur eingebunden werden (Tmeta/para in Abb. 3.4), konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht isoliert werden. Ein Hinweis, warum dieses Strukturmotiv ungünstig sein könnte, wurde durch die Charakterisierung des auf einem partiell hydrolysierten Derivat von Li2[Lpara] beruhenden CoII-Makrozyklus Co2[23]2 erhalten. Die Analyse der Strukturparameter dieser Verbindung deutet an, dass die Bildung eines Makrozyklus im Fallder unhydrolysierten Heteroskorpionate aufgrund sterischer Wechselwirkungen zwischen den Pyrazolylringen und der Phenylenbrücke benachteiligt sein sollte. Obwohl zwischen Aryl- und Alkyl-basierte n Heteroskorpionaten erhebliche Unterschiede hinsichtlich ihrer Neigung zur hydrolytischen Zersetzung erkennbar sind, zeigen beide Ligandentypen ähnliche Labilitäten gegenüber der stark Lewis-aziden Verbindung Brommanganpentacarbonyl. Die Reaktionen von Li2[Lpara], Li2[3] und Li2[6] mit Mn(CO)5Br führten zur Spaltung von B-N-Bindungen, die in allen drei Fällen durch Kristallisation des in Abb. 3.5 gezeigten, pyrazolid-verbrückten MnI-Carbonylkomplexes 21 dokumentiert werden konnte. Im Gegensatz zu den Heteroskorpionatliganden zeigen oligotope phenylenverknüpfte Homoskorpionate keine Tendenz, sich unter dem Einfluss von Mn(CO)5Br zu zersetzen. Reaktionen der di- und tritopen Tris(pyrazol-1-yl)borate Li2[15], Li2[16] und Li3[18] lieferten die in Abb. 3.6 dargestellten Mangantricarbonylkomplexe (Mn(CO)3)2[15], (Mn(CO)3)2[16] und (Mn(CO)3)3[18] in guten Ausbeuten. Neben der Darstellung dieser, für materialwissenschaftliche Fragestellungen (Koordinationspolymere, Metallorganische Netzwerke) interessanten Liganden, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit auch der Frage nachgegangen, ob die Verknüpfung zweier Heteroskorpionateinheiten Auswirkungen auf die katalytische Aktivität entsprechender Rhodium-Cyclooctadien-Komplexe in der Polymerisation von Phenylacetylen hat. Sterisch anspruchsvolle Pyrazolylsubstituenten tragende monotope Rhodium-Cyclooctadien- Skorpionatkomplexe konnten in dieser Reaktion bereits erfolgreich als Katalysatoren eingesetzt werden und lieferten regioselektiv cis-transoid-verknüpftes Poly(phenylacetylen). Zunächst wurden die in Abb. 3.7 dargestellten Rhodiumkomplexe (Rh(cod))2[3] und (Rh(cod))2[6] von Bis(pyrazol-1-yl)boraten, die keine sterisch anspruchsvollen Pyrazolylsubstituenten tragen, synthetisiert. Ähnlich wie der analoge einkernige Komplex Rh(cod)[H2Bpz2 ] zeigten (Rh(cod))2[3] und (Rh(cod))2[6] keinerlei katalytische Aktivität. Daher sollten im Anschluss die mit Phenylpyrazolylgruppen ausgestatteten Derivate (Rh(cod))2[5] und (Rh(cod))2[7] synthetisiert und im katalytischen Prozess eingesetzt werden. Im Verlauf dieser Experimente stellte sich heraus, dass die Reaktionen der Alkalimetallskorpionate Li2[5] und K2[7] mit (Rh(Cl)(cod))2 nicht zu den Zielverbindungen, sondern zur Zersetzung der Ligandgerüste führen. In beiden Fällen konnte das Abbauprodukt 22 isoliert werden (Abb. 3.8). Weitere Untersuchungen ergaben, dass 22 in der Lage ist, Phenylacetylen in guten Ausbeuten und regioselektiv (cis-transoid-verknüpftes Poly(phenylacetylen)) zu polymerisieren. 22 stellt somit ein gut zugängliches und leicht zu modifizierendes Katalysatorsystem dar, dessen Optimierung Thema zukünftiger Untersuchungen sein wird.
Entwicklung redoxaktiver para-Hydrochinonliganden und deren Anwendung in der Koordinationschemie
(2006)
Niedrigdimensionale Spinsysteme sind hinsichtlich ihrer magnetischen und elektronischen Eigenschaften von großem Interesse. Einen Zugang zu derartigen Systemen bieten Koordinationspolymere aus paramagnetischen CuII-Ionen (S = ½) und verbrückenden para-Hydrochinon-Liganden. CuII-Ionen eignen sich als Spinträger unter anderem deshalb, weil sie stabile quadratisch-planare Komplexe auszubilden vermögen, wodurch die Entstehung niedrigdimensionaler Strukturen begünstigt wird. Die Attraktivität para-Hydrochinon-basierter Brückenliganden beruht auf deren Redoxaktivität und der Tatsache, dass sie wegen ihrer starren π-konjugierten Struktur in der Lage sind antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen zwei paramagnetischen Metallzentren zu vermitteln. Darüber hinaus sind para-Hydrochinonderivate meist auch in der radikalischen Semichinonform stabil. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit in para-Hydrochinon-verbrückte Koordinationspolymere durch elektrochemische Dotierung gezielt zusätzliche ungepaarte Spins zu injizieren. ...
Determination of the distribution of halocarbons in the tropical upper troposphere and stratosphere
(2008)
The aim of this thesis was to investigate distributions of 32 volatile chlorinated and/or brominated halocarbons that are currently believed to be present in the tropical upper troposphere and stratosphere and to contribute to stratospheric ozone depletion and also to global warming. For this purpose an analytical system was established, which is capable to measure ultra-low concentrated atmospheric trace gases. A quadrupole Mass Spectrometric (MS) Detector was attached to an existing Gas Chromatograph with pre-concentration system and Electron Capture Detector (ECD). The characterisation of the chromatographic system was significantly enhanced by the subsequent identification of 48 additional volatile organic compounds. Furthermore a Gaussian fit algorithm, which was developed in the workgroup, was applied to the chromatographic signals. This algorithm was proven to reflect peaks quantitatively and to enhance the performance of the integration process – especially the reproducibilities for peaks with a low signal to noise ratio. As it is known that the Electron Capture Detector responds nonlinear the new MS detector was checked for such behaviour and found to respond linear. In logical consistency the complete quantification process including e.g. pre-concentration of trace gases and signal integration can be considered as linear responding within the investigated parameter ranges. Moreover, the long term stability of the targeted halocarbons was proven inside the calibration standard containers over a period of 25 months. Many substances were also found to be stable inside the containers used for storage of air samples but a number of substances showed significant concentration changes. These were mainly CH3Cl (methyl chloride), CH3Br (methyl bromide), CH2Cl2 (dichloromethane), CHCl3 (chloroform), CCl4 (tetrachloromethane), C2Cl4 (tetrachloroethene), CH3CCl3 (methyl chloroform), CH2ClCH2Cl (1,2-dichloroethane) und C2H5Cl (chloroethane). But the number of affected substances and also the corresponding concentration changes varied between the individual containers. A systematic investigation of the influence of possible causes (e.g. air sampling methods, container materials) is recommended. Results from both internal detectors were compared and revealed biases and disadvantages of the ECD caused by its lower selectivity and its nonlinear response behaviour. Consequently the MS detector was chosen for the quantification of atmospheric trace gases. The quantification process was performed relative to externally calibrated air standards. To assess the uncertainties connected with different absolute calibration scales cross-comparisons between calibration standards of three different laboratories were carried out. Most substances’ calibrations agreed within the measurement uncertainties but significant differences were observed for CF2ClBr (H1211), CH3Cl (methyl chloride), CH2Cl2 (dichloromethane), CHCl3 (chloroform), CCl4 (tetrachloromethane) and CH3CCl3 (methyl chloroform). As five of these substances were also observed to show concentration changes inside sample containers it is likely, that such changes are responsible for calibration differences. In addition to the detailed assessment of uncertainties connected with the analytical quantification process a set of air samples was available for measurements. These samples mainly originated from the upper troposphere and lower and middle stratosphere in the tropics and the determined halocarbon quantities were used to investigate their distributions in the respective atmospheric regions. In detail, the altitudinal distributions and interrelations of 17 long-lived halocarbons in the tropical stratosphere were determined and compared with those of other stratospheric regions. Tracer-tracer-correlations of these substances in the tropical stratosphere were found to differ from those in mid- and high-latitudes. Characteristic fit functions relative to CF2Cl2 (F12) which are valid for the tropical stratosphere in 2005 were derived as well as time-independent fit functions of fractional release factors (FRFs) relative to the mean age of air. Both sets of correlations could be used for the parameterisation and evaluation of models and also to reassess the Global Warming Potentials (GWPs) of the corresponding halocarbons which might affect future climate predictions. However, the data set on halocarbons in the tropical stratosphere is still insufficient to investigate the variability of tracer-tracer-correlations and FRFs caused by dynamical and photochemical processes. Therefore it is important for future research to perform additional measurements there and – if possible – to extend the measurements to the upper tropical stratosphere in order to characterise the sink of those halocarbons that are still present in these altitudes. In addition, the amount of chlorine and bromine present in the form of organic compounds inside and above the main stratospheric entrance region (the Tropical Tropopause Layer, TTL) was quantified in the frame of a case study. This was possible because of a cooperation with scientists from the University of East Anglia which carried out measurements of six additional halocarbons leading to a total of 28 quantified target substances. Ten of these substances have short atmospheric lifetimes compared with the mean transport times of tropospheric air to the stratosphere (i.e. lifetimes below 0.5 years) and show non-uniform distributions in the upper troposphere. The contribution of these substances to stratospheric ozone depletion is subject of an ongoing scientific debate. In the performed case study a fraction range of short-lived halocarbons of 6 – 8 % (0.98 – 1.25 ppt) relative to the sum of bromine from organic substances and of 1.1 – 1.4 % (36.6 – 47.1 ppt) for the corresponding sum of chlorine was calculated to enter the stratosphere above Brazil in June 2005. Moreover by combining the data with tropospheric reference data and age of air observations the abundances of inorganic chlorine and bromine (Cly and Bry) were derived. At an altitude of 34 km an amount of 3062 ppt of Cly and 17.5 ppt of Bry from organic source gases was calculated. The latter is significantly lower than Bry mixing ratios inferred from quasisimultaneous BrO measurements at 33 km altitude above Brazil (Dorf, 2005, Dorf et al., 2008). But at the University of East Anglia indications for the presence of unknown brominated organic substances in the TTL were found which might cause this difference. Finally, a major result of this thesis adds to the knowledge of the composition of the troposphere as three Chlorofluorocarbons (CFCs) were first observed. Trifluorochloroethene, 3-chloropentafluoropropene and 4,4-dichlorohexafluoro-1-butene were found in air samples collected at the Taunus Observatory near Frankfurt (Main) and the Jungfraujoch High Altitude Research Station in Switzerland (Laube and Engel, 2008). Identification was possible because of an air plume containing high concentrations of these substances. It is suggested that the abundances found on this occasion originated from a local source. The atmospheric lifetimes of these substances are expected to be rather short as they contain a double bond. A quantitative calibration could only be derived for trifluorochloroethene but not for the other species by now. Thus, a relative sensitivity method was derived to get a first indication of the observed atmospheric abundances. All three CFCs could also be detected in air masses representative of background conditions, though with much lower concentrations. These species and some of their degradation products are toxic and could also be relevant for stratospheric and tropospheric ozone depletion. It is important to find out more about their atmospheric distributions, lifetimes, sinks and sources and their ability to reach the stratosphere to assess their possible influence on the global atmosphere. This will be done in the frame of the project "CLEARFOGG – Checking Layers of the Earths AtmospheRe For halogenated Ozone-depleting and Greenhouse Gases". This research project aims to perform a systematic scan of the atmosphere because there are indications for the presence of a number of halogenated organic compounds which are unknown by now. It was recently decided to be funded by the British National Environmental Research Council and will be carried out at the University of East Anglia mainly by the author of this thesis.