Stabilisierung von nanostrukturierten Metalloxid-Funktionsschichten
Final Report Abstract
Geordnet-mesoporöse Metalloxide weisen eine erhöhte strukturelle Stabilität gegenüber thermischer Behandlung im Vergleich zu z.B. mit Hilfe von Sol-Gel Verfahren hergestellten Nanostrukturen mit vergleichbaren lateralen Dimensionen auf. Die geordnet-mesoporösen Strukturen lassen sich vereinfacht als starre Anordnung vernetzter polykristalliner Nanodrähte beschreiben. Ziel des Projektes war die Aufklärung der Mechanismen, die zur Stabilisierung führen. Konkret sollte dies für die Referenzmaterialien Indiumoxid und Zinndioxid erfolgen. Beide finden unter anderem Anwendung in Wirkschichten von halbleiterbasierten Gassensoren. Für diese ist die erhöhte Stabilität von großem Interesse, da für eine hohe Sensitivität sowohl die Nanostruktur als auch eine hohe Betriebstemperatur von bis zu 500 °C notwendig ist. Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, durch systematische Variation der Probenpräparation und die Untersuchung der thermischen Stabilität von geordnet-mesoporösem Indiumoxid den Stofftransport über die Gasphase (Ostwald-Reifung, Abdampfen des Oxids) als den dominierenden Wachstumsmechanismus zu identifizieren. Die Wirkung der Stabilisierung beruht auf einer Hemmung dieses Transports durch Änderung des Diffusionsregimes (Knudsen anstelle von Molekularer Diffusion) und der damit verbunden Verringerung der Diffusionskonstanten um mehr als eine Größenordnung. Diese Hemmung kann sowohl durch eine Verringerung des Porengröße als auch durch eine (teilweise) Blockierung der Poren sattfinden. Ursprünglich wurde davon ausgegangen, dass die Modifikation der kristallinen Eigenschaften im Rahmen des Herstellungsprozesses der porösen Strukturen den dominierenden Stabilisierungsmechanismus darstellt. Der Einfluss der Kristallitgröße erwies sich jedoch als vergleichsweise gering. Im zweiten Projektabschnitt sollte nachgewiesen werden, dass der Gasphasentransport prinzipiell in der Lage ist, das beobachtete Wachstum zur erklären. Typischerweise wird der Dampfdruck von Oxiden als relativ gering angenommen, allerdings sind für die betrachteten nanostrukturierten Materialien keine experimentellen Daten verfügbar. Aus diesem Grund wurde eine neue Methode zur Bestimmung des Dampfdrucks entwickelt und auf Indiumoxid-Nanopartikel angewendet. Im Gegensatz zur üblichen Knudsen-Effusionstechnik stellt das neue Verfahren sicher, dass segregierte Partikel betrachtet werden. Die so ermittelten Werte (z.B. In2O3: = 85,7 bei 550 °C) sind um Größenordnungen höher als theoretisch berechnete Dampfdruckdaten. Eine Validierung der Methode mit Hilfe komplementärer Verfahren zur Dampfdruckbestimmung steht noch aus. Allerdings wird davon ausgegangen, dass verschiedene Effekte wie z.B. die Abhängigkeit des Dampfdrucks vom Krümmungsradius durchaus zu einer deutlichen Erhöhung führen können und somit die Stabilisierung über den zuvor erläuterten Mechanismus erfolgt.
Publications
- Nanostructured Metal Oxides for High-Temperature Gas Sensing: Structural Stabilization in Porous Metal Oxides; Proceedings of the 14th International Meeting on Chemical Sensors (2012) 1264-1266
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T. Wagner, C.-D. Kohl, C. Malagù, N. Donato, M. Latino, G. Neri, M. Tiemann
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D. Klaus, S. Amrehn, M. Tiemann, T. Wagner
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D. Klaus, D. Klawinski, S. Amrehn, M. Tiemann, T. Wagner
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C. Weinberger, S. Vetter, M. Tiemann, T. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.10.027)
