MEMBRANA NANOPOROSA. PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE DICHA MEMBRANA Y USO DE LA MISMA.

Membrana nanoporosa, procedimiento de obtención de dicha membrana y uso de la misma.

La presente invención describe una membrana nanoporosa de Nio de estructura simétrica y el procedimiento por el cual se obtiene dicha membrana utilizando técnicas de deposición de material mediante el proceso de crecimiento de la capa de material sobre una membrana plantilla. También aparece reflejado el uso de la membrana obtenible mediante dicho procedimiento para su aplicación en diversos campos, tales como las células de combustible o la fabricación de sensores.

Membrana nanoporosa, procedimiento de obtención de dicha membrana y uso de la misma.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es una membrana nanoporosa ordenada de NiO (una película delgada de aproximadamente 0.3 μm de espesor, con poros de tamaño nanométrico con simetría hexagonal y uniformemente distribuidos) , y el procedimiento de fabricación de dicha membrana.

Antecedentes de la invención

Las membranas porosas son de gran interés en diferentes campos de aplicación, como por ejemplo en sistemas de purificación y/o separación, en el desarrollo de sensores, en química fina, en procesos catalíticos y también en el desarrollo de células de combustible.

Las membranas porosas pueden ser inicialmente clasificadas en orgánicas o inorgánicas, dependiendo de su composición química. Las primeras son relativamente sencillas de obtener y existen muchos ejemplos de ello. Las membranas inorgánicas, a su vez, pueden estar formadas por cualquier material que sea capaz de crecer inhomogéneamente de manera que existan poros entre los granos crecidos. Se caracterizan por presentar alta resistencia a la temperatura y a variaciones de pH (sobre todo las membranas cerámicas) .

En todos los tipos de membrana el tamaño de los poros es muy variable y permite clasificar a estas en tres grandes grupos: i) membranas nanoporosas (con diámetros de poro de hasta 50 nm) , ii) membranas mesoporosas (con poros de diámetro comprendido entre 50 nm y 200 nm) y iii) membranas microporosas, cuyo diámetro de poro es superior a 200 nm. El orden y distribución de los poros es otra característica de las membranas que permite clasificaciones adicionales. No obstante, la mayor parte de las membranas se caracterizan por presentar una distribución de poros totalmente desordenada.

Uno de los retos importantes en el desarrollo de estos materiales ha sido la obtención de membranas con estructura porosa ordenada para sus aplicaciones en magnetismo y óptica. Se han descrito algunos ejemplos de obtención de membranas con distribución y tamaño de poro ordenados, como el caso de las membranas de alúmina porosa obtenidas mediante procesos de anodización de aluminio (F. Keller, et al., J. Electrochem. Soc., 1953, vol. 100, pp. 411; G.E. Thompson, et al., Nature 1978, vol. 272, pp. 433) . En este caso las membranas de óxido de aluminio presentan una estructura porosa con una distribución hexagonal característica. Estos poros son siempre de dimensiones homogéneas en una misma membrana y sus diámetros pueden ser controlados según el procedimiento de síntesis. Además de este tipo de membranas de óxido de aluminio, se han intentado sintetizar otras basadas en titania, zirconia, etc., pero con escasos resultados.

Una vez establecido el interés en membranas ordenadas, el siguiente paso es poder fabricarlas con distintos materiales. Hasta hace relativamente poco tiempo los logros se han centrado casi exclusivamente en el desarrollo de membranas a base de óxidos (fundamentalmente alúmina) . No obstante, en los años 90 se publicaron algunos trabajos sobre la síntesis de membranas de metales con estructura porosa ordenada (H. Masuda, et al., Thin Solid Films, 1993, vol. 223, pp. 1; H. Masuda, et al., J. Electroanal. Chem., 1994, vol. 368, pp. 333; H. Masuda, et al., J. Electroanal. Chem., 1999, vol. 373, pp. 240; H. Masuda, K. Fukuda, Science, 1995, vol. 268, pp. 1466) y de semiconductores (P. Hoyer, H. Masuda, J. Mater. Sci. Lett., 1996, vol. 15, pp. 1228) . Estas síntesis se basan en el concepto de “replica” de la estructura porosa de una alúmina y consisten en un proceso en dos etapas: i) obtención del “negativo” de la estructura de una membrana de alúmina porosa (obtenida por un proceso convencional de anodización) y ii) formación del “positivo” mediante un metal (en este caso platino u oro) . Este procedimiento también ha permitido obtener membranas altamente ordenadas de WO3 (K. Nishio, et al., Electrochem. Solid-State Lett., 2003, vol. 6, pp. H21) , y más recientemente membranas metálicas de Ni (D. Navas, et al., IEEE Trans. Magnet., 2006, vol. 42, pp. 3057; D. Navas, et al., Appl. Phys. Lett., 2007, vol. 90, pp. 192501) . Uno de los principales inconvenientes de este procedimiento es que requiere múltiples etapas de síntesis, todas ellas muy sensibles a factores experimentales, lo que convierte a esta técnica en un sistema muy complicado y poco eficiente de preparación de membranas.

Para el crecimiento de capas delgadas, y poder generar membranas de un material a partir de plantillas se utiliza el método de La pulverización catódica (Sputtering) , que es un proceso físico en el que se produce la vaporización de los átomos de un material mediante el bombardeo de éste por iones energéticos. La pulverización catódica está causada principalmente por el intercambio de momento entre los iones y los átomos del material, debido a colisiones. Se puede pensar en el proceso como una partida de billar a nivel atómico, con los iones (bola blanca) golpeando una agrupación de átomos densamente empaquetados (bolas de billar) . Aunque la primera colisión empuja a los átomos más hacia dentro en la agrupación, colisiones posteriores entre los átomos pueden tener como resultado que algunos de los átomos cerca de la superficie sean expulsados. El número de átomos expulsados de la superficie por ión incidente es el rendimiento de pulverización (“sputter yield”) y es una medida importante de la eficiencia del proceso. Algunos factores que influyen en este parámetro, son la energía de los iones incidentes, sus masas y las de los átomos del blanco y la energía de enlace del sólido.

Los iones para el proceso de pulverización se obtienen de un plasma que se genera en el interior del equipo de pulverización. En la práctica se usa una variedad de técnicas para modificar las propiedades del plasma, especialmente la densidad de iones, y así conseguir unas condiciones de pulverización óptimas. Entre ellas está el uso de un voltaje alterno de radiofrecuencia para polarizar el blanco (cátodo) y así evitar la carga electrostática cuando se trate de materiales aislantes y el uso de campos magnéticos. Los átomos pulverizados, aquéllos expulsados a la fase gaseosa, no están en su estado de equilibrio termodinámico. Por tanto, tienden a condensarse de vuelta a su estado sólido al chocar con cualquier superficie en la cámara de pulverización. Esto tiene como resultado la deposición del material pulverizado en todas las superficies de la cámara.

Este fenómeno se usa de forma extensiva en la industria de los semiconductores para depositar películas finas de diversos materiales sobre obleas de silicio. Se puede usar también para aplicar capas finas sobre cristal para aplicaciones ópticas. El proceso se puede llevar a cabo a temperaturas muy bajas, lo que le hace el método ideal para depositar puerta, fuente y drenador en transistores de película fina, así como contactos en diodos PIN. De hecho, el uso de la pulverización catódica para depositar películas finas sobre un substrato es seguramente una de sus aplicaciones más importantes hoy en día.

Una ventaja importante de la pulverización catódica como técnica de deposición es que las películas depositadas tienen la misma concentración que el material del blanco. Esto puede parecer sorprendente, ya que mencionamos antes que el rendimiento de pulverización depende del peso atómico de las especies involucradas. Por tanto, uno esperaría que uno de los componentes del material se deposite más rápido que otros (sputtering o pulverización preferencial) , llevando a un cambio de la concentración de la película resultante. A pesar de que es cierto que los componentes se pulverizan a velocidades diferentes, al tratarse de un fenómeno superficial la vaporización de una especie de forma preferente enriquece la superficie con átomos de las restantes, lo que compensa de forma efectiva la diferencia de velocidades de deposición. Así, las películas depositadas tienen la misma composición que el blanco. Esto contrasta con las técnicas de evaporación térmica, en la que un componente se evapora a menudo de forma preferencial, con el resultado de una película depositada con una composición distinta al material fuente.

Descripción de la invención

La presente invención supone una clara mejora del procedimiento de obtención de membranas con estructura porosa ordenada, entre otras, al reducir el número de etapas durante la síntesis. Esta metodología...

1. Procedimiento de obtención de una membrana porosa inorgánica que comprende los siguientes pasos: -utilización de una membrana plantilla -deposición y crecimiento de un capa delgada de NiO en la membrana plantilla del paso anterior mediante

deposición física en fase de vapor, y -obtención de una membrana inorgánica obtenida en el paso anterior de la membrana plantilla soportada.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la deposición y el crecimiento del material en fase gas en la membrana plantilla soportada se realiza mediante deposición física en fase vapor.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la deposición del material se realiza mediante bombardeo iónico con magnetrón con radiofrecuencia.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el ángulo de deposición del material es de 24º.

5. Membrana obtenible por el procedimiento descrito en una cualquiera de las reivindicaciones1a4.

6. Membrana según reivindicación 5 cuya capa comprende Óxido de Níquel.

7. Uso de la membrana descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, para procesos de purificación y/o filtración de gases.

8. Uso de la membrana descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, para la preparación de células de combustible.

9. Uso de la membrana descrita en una cualquiera de las reivindicaciones5ó6, para la preparación de sensores.

10. Uso de la membrana descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, para la preparación de materiales con propiedades antiferromagnéticas.

11. Uso de la membrana descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, para la preparación de electrodos funcionales.