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Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus
Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung
Elektrotechnik und Informationstechnik, 2004-01-28
BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Heinz Fissan ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und
Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Heinz Fissan ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und
Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Horst Hahn , Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Materialwissenschaft und Geowissenschaften
Schlüsselwörter in Englisch: Gas sensor, nanoparticles, thin film, metal oxide, monodisperse, size-dependent properties
Schlüsselwörter in Deutsch: Gassensor, Nanopartikel, Dünne Schichten, Metalloxide, monodisperse, größenabhängige Eigenschaften
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Abstrakt in Englisch
Tin oxide is one of the most important semiconducting materials for
gas-sensing applications. The use of nanocrystalline particle films in
gas-sensing devices significantly enhances the sensitivity of the
devices due to the larger specific surface area and changes in the
electrical properties. To understand the gas-sensing mechanism and to
determine the influence of nanocrystallinity on the gas-sensing
behaviour, it is important to carry out detailed electrical
characterisation of the semiconductor material having well defined
nanoparticle film structures. For this investigation, tin oxide (SnOx)
nanoparticles were prepared using a gas phase synthesis set-up with SnO
powder as the initial material. This set-up allowed the deposition of
size-selected nanoparticles in the range of 10 to 35 nm and having a
geometric standard deviation of sigma < 1.1, to form a nanoparticle
film. To obtain information about the morphology, crystallographic
structure and stoichiometry of the nanoparticles and nanoparticle films
the well-known characterisation methods TEM, AES, STM, XRD and RBS were
used.
An automated measurement set-up was designed and fabricated for the
measurement of the gas sensor characteristics and electrical parameters
of nanostructured SnOx thin layers in controlled gas environments in a
temperature range from room temperature to 300 °C. The set-up consisted
of a gas environment chamber, a specially designed microhotplate and
microhotplate holder together with a control, supply and electrical
measurement equipment. Sensitivity and dynamic behaviour measurements
were carried out by observing changes in the electrical conductance on
exposure of gases, such as CO, CH4, C2H5OH, H2 and NO diluted in
synthetic air. A systematic study was made to examine the material
characteristics (particle size and chemical composition) as influenced
by the process parameters of the synthesis set-up and the gas-sensing
properties of SnOx layers. For the first time, it has been demonstrated
conclusively that a decreasing particle size leads to an increased
sensitivity and decreased response time. The effect is especially
evident in the case of layers with particle size smaller than 20 nm. In
addition, in-situ oxidised and post-annealed tin oxide nanoparticle
films have higher sensitivity values and the maximum sensitivity shifts
to lower operating temperature. The results of this work lead to a
better understanding and improvement of tailored tin oxide gas sensors
using monodisperse nanoparticles.
Abstrakt in Deutsch
Zinnoxid ist eines der am meisten untersuchten Halbleitermaterialien
für Gassensoren. Die Verwendung von nanokristallinen Partikelschichten
in Gassensoren führt zu einer maßgeblichen Verbesserung der
Empfindlichkeit durch die erhöhte spezifische Oberfläche und die
Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Nanopartikel. Um den
Sensormechanimus zu verstehen sowie den Einfluß der Nanokristallinität
auf die Eigenschaften des Sensormaterials zu bestimmen, ist es
notwendig, eine detaillierte elektrische Charakterisierung des
halbleitenden Materials, bestehend aus einer definierten
Schichtstruktur, durchzuführen. In dieser Arbeit wurden Zinnoxid (SnOx)
Nanopartikel aus der Gasphase unter Verwendung von SnO-Pulver als
Ausgangsmaterial hergestellt. Der Syntheseaufbau ermöglichte die
Deposition größenfraktionierter Nanopartikel in einem Bereich von 10 nm
bis 35 nm mit einer geometrischen Standardabweichung von sigma <
1.1. Morphology, Kristallstruktur und Stöchiometrie der Nanopartikel
und der Nanopartikelschichten wurden mit bekannten
Charakterisierungsmethoden wie TEM, AES, STM, XRD and RBS gemessen.
Ein automatisiertes Gassensormeßsystem wurde aufgebaut. Dieses System
erlaubt es, elektrische Messungen an nanostrukturierten SnOx Schichten
in kontrollierter Atmosphäre und in einem Temperaturbereich von
Raumtemperatur bis 300 °C durchzuführen. Es besteht aus einer Meßzelle,
speziell konstruierten Substraten mit Substrathalterungen und
elektrischen Meßgeräten. Sensitivität und dynamisches Verhalten der
Gassensoren wurden gemessen, indem die Veränderung der elektrischen
Leitfähigkeit durch Zugabe verschiedener Gase (CO, CH4, C2H5OH, H2 und
NO verdünnt in synthetischer Luft) bestimmt wurde. Der Zusammenhang
zwischen den Materialeigenschaften (Partikelgröße und chemische
Zusammensetzung), beeinflußt durch die Prozeßparameter der
Syntheseapparatur, und den gassensorischen Eigenschaften der
SnOx-Schichten wurde systematisch untersucht. Zum ersten Mal wurde
unwiderlegbar demonstriert, daß mit abnehmender Partikelgröße die
Sensitivität zu- sowie die Ansprechzeit abnimmt. Dieser Effekt ist
insbesondere deutlich für Partikelschichten, die aus Partikeln mit
einem Durchmesser kleiner als 20 nm aufgebaut sind. Eine in-situ
Oxidation bewirkte, zusammen mit einer Temperung nach der Deposition,
eine Verbesserung der Sensitivität und eine Verlagerung des
Sensitivitätsmaximums zu niedrigeren Betriebstemperaturen. Die
Ergebnisse dieser Arbeit führen zu einem größeren Verständnis und zur
Verbesserung von maßgeschneiderten Zinnoxid Gassensoren aufgebaut aus
monodispersen Nanopartikeln.
Investigation of tin oxide (SnOx) gas sensors based on monodisperse nanoparticle films
Untersuchung von Zinnoxid (SnOx) Gassensoren, aufgebaut aus monodispersen Nanopartikelschichten
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