Giessener Elektronische Bibliothek

GEB - Giessener Elektronische Bibliothek

Hinweis zum Urheberrecht

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-2526
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2000/252/


Die Untersuchung der Karbonat-Kohlendioxid-Wechselwirkung im Feuchtefilm der Oberfläche

Ostrick, Bernhard


pdf-Format: Dokument 1.pdf (1.718 KB)

Bookmark bei Connotea Bookmark bei del.icio.us
Freie Schlagwörter (Deutsch): Karbonat , Kohlendioxid , Wechselwirkung , Feuchtefilm
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Angewandte Physik
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.06.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 11.07.2000
Kurzfassung auf Deutsch: In speziellen Schlüsselanwendungen der Gassensorik - wie z.B. der Brandgaserkennung - werden kostengünstige Sensoren benötigt, die
nahezu ohne Leistungsaufnahme betrieben werden können. Gassensitive Feldeffekttransistoren (GasFET) können bei Raumtemperatur
arbeiten und benötigen daher keine Heizleistung. Zusätzlich sind sie zu geringen Stückkosten herstellbar und zeichnen sich durch eine
einfache Signalauslesung aus.

Im GasFET adsorbieren Zielgase an einer sensitiven Schicht und rufen dort eine Veränderung des elektrischen Potentials hervor. Eine
direkte Reaktion mit der Oberfläche des sensitiven Materials wird dabei aufgrund der relativ geringen Betriebstemperatur durch ein
vorhandenes Adsorbat aus Wasser und Kohlenwasserstoffen möglicherweise unterbunden. Es stellt sich daher die Frage, welche
Gasreaktionen trotz einer vorhandenen Vorbelegung der Oberfläche stattfinden können.
In dieser Arbeit wurde unter Verwendung der Kelvinsonde gezeigt, daß die Wechselwirkungen von BaCO3 und CO2 sowie NO2 Reaktionen
darstellen, die bei Raumtemperatur zur Gasdetektion eingesetzt werden können. Die Wasservorbelegung des BaCO3 bei Raumtemperatur
beträgt ca. 5 Monolagen. Dennoch zeigte sich, daß der Wasserfilm die Reaktion nicht etwa behindert; die Wasserbelegung ist sogar nötig,
damit die Reaktion stattfinden kann. Unter Verwendung von DRIFT-Spektro-skopie konnte nachgewiesen werden, daß die Reaktion von
BaCO3, CO2 und Wasser auf der Bildung von Hydrogenkarbonat auf der Oberfläche beruht. Mittels kapazitiver Messungen konnte gezeigt
werden, daß die Sensorantwort auf ein CO2-Feuchtegemisch in zwei Anteile zerfällt: Eine reine kapazitive Feuchtereaktion und die
Bildungsreaktion von Hydrogenkarbonat. Letztere kann durch eine Nernstgleichung beschrieben werden.
Im Gegensatz zu anderen bislang bekannten Sensorreaktionen, findet die CO2/H2O-Reaktion weder im Volumen noch an der Grenzfläche
Volumen/Gas der Probe statt, sondern in einer adsorbierten Wasserphase. Dies folgt u.a. aus der Unabhängigkeit der Reaktion von der
Probendicke und den Korndurchmessern des polykristallinen Karbonates. Der Wasserfilm stellt daher eine Kopplung zwischen dem
sensitiven Material und der Gasatmosphäre dar. Die Vorstellung einer 'aufgeweichten' Grenzschicht scheint den Sachverhalt auf der
Karbonatoberfläche anschaulich wiederzugeben. Zur Beschreibung einer solchen Reaktion reichen einfache Adsorptionsmodelle nicht
mehr aus. Es ist sinnvoll, auf die Konzepte der Elektrodik und Elektrochemie zurückzugreifen. Dazu wurde das Modell einer diffusen
Randschicht, wie es für Elektroden in Lösung üblich ist, auf das Oberflächenwasser des Karbonates übertragen.
Neben der Reaktion unter Feuchtebeteiligung unter 100°C wurde bei höheren Temperaturen ebenfalls eine CO2-Sensitivitat beobachtet.
Hierbei handelt es sich um einen anderen Mechanismus, da die charakteristischen Querempfindlichkeiten beider Reaktionen sehr
unterschiedlich sind. Insbesondere die starke Sauerstoffquerempfindlichkeit, die bei der Reaktion über 200°C auftritt, führte für diesen
Prozeß auf eine Beschreibung in Analogie zu den bekannten Typ III Festelektrolytsensoren auf Karbonatbasis.
Ein Vergleich der Reaktionen von BaCO3 auf CO2 und NO2 verdeutlichte den Einfluß verschiedener Grenzschichten auf das Gesamtsignal
bei potentialgesteuerten Sensoren: Die NO2-Reaktion ist vermutlich eine Reaktion am metallischen Untergrund alleine, da sie im
Gegensatz zur CO2-Reaktion durch Wahl geeigneter Sperrschichten (z.B. Ga2O3) unterdrückt werden konnte. Dieses Ergebnis zeigt, daß
die Verwendung von polykristallinen isolierenden Sensormaterialien in potentialgesteuerten Sensoren zwar möglich ist, aber
Gasreaktionen an jeder Grenzfläche zum Gesamtsignal beitragen können und berücksichtigt werden müssen.
Kurzfassung auf Englisch: In some key applications of gas detection - like in commercial fire detection - low cost devices with nearly no power consumption are
required. Gas sensitive field effect transistors (GasFET) can be operated at room temperature and therefore do not need heating power.
They can be produced at low unit costs and can be read out by simple signal processing.
In a GasFET target gases adsorb on a sensitive film which results in a change of the contact potential. However a direct reaction with the
surface is most probably hindered by pre-adsorbed species like water or hydrocarbons. An important question therefore is: which kinds of
gas reactions can be used to detect gases despite of pre-adsorbed species.

In this work it was shown by use of the Kelvin Probe, that the interactions of BaCO3 with CO2 and NO2 can be used to detect these gases at
room temperature. The coverage with water amounts approximately 5 ML. But the reaction is not hindered by pre-adsorbed water. It was
contrarily found that water is even necessary for the reaction to take place. It was shown by DRIFT spectroscopy that the reaction of BaCO3,
CO2 and H2O is due to the formation of bicarbonate ions HCO3-. Capacitive measurements have revealed that the sensors reaction can be
described by two contributions: a pure capacitive reaction with water and the reaction of formation of HCO3- ions which can be described
by a Nernstian equation.

Compared to already known sensor reactions the CO2/H2O interaction with BaCO3 is neither a volume process nor a surface reaction. The
reaction takes place in a phase of adsorbed water - which can be concluded from the fact that the reaction is inde-pendent from the
samples thickness or the grains volume. The adsorbed water film couples the chemical potentials of the gas phase and the sensitive
material. The image of a 'soggy blurred surface' therefore seems to describe the real surface. The reaction can not be characterised by
simple adsorption models. It is useful to fall back on concepts used in electrodics and electrochemistry: The picture of a diffusion layer,
which is used to describe electrodes in solutions, was adapted to the carbonate surface and its adsorbed water phase.
Besides the CO2/H2O reaction under 100°C the BaCO3 also shows a CO2 sensitivity at higher temperatures. This sensitivity is due to a
different reaction mechanism as it shows different cross-sensitivities. Especially the strong oxygen dependence of the reaction which is
predominant over 200°C leads to a description of the reaction in terms of the well known type III solid electrolyte sensors.
A comparison between the CO2 and NO2 reactions on BaCO3 shows the influence of different interfaces in a layer system of sensitive
films: the reaction on NO2 is most probably due to an interaction between NO2 and the metallic back-contact of the BaCO3 films and can
be eliminated by choice of special barrier layers like Ga2O3. This result shows that insulating polycrystalline films can be used in potential
type sensors as gas sensitive films but that all interfaces have to be taken into account to describe the whole reaction.