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Gasdetektion auf der Basis thermischer Emissionsströme von Festkörperoberflächen

Schwebel, Tim


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Gasdetektion , Emissionsstrom , Festkörperoberfläche
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Angewandte Physik
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.11.2001
Erstellungsjahr: 2001
Publikationsdatum: 22.11.2001
Kurzfassung auf Deutsch: In der vorliegenden Arbeit wird der Mechanismus der thermischen Elektronenemission als Methode zur Gasdetektion an Raumluft
untersucht. Die dabei entscheidende Material-Austrittsarbeit ist eine oberflächensensitive Größe, die durch Verunreinigung oder
Gasadsorption moduliert wird. Der thermische Elektronen-Emissionsstrom ist dabei exponentiell von der Austrittsarbeit beeinflußt, so daß
bereits geringe Austrittsarbeitsänderungen eine merkliche Stromänderung hervorrufen. Damit stellt der Emissionsstrom eine sensitive
Meßgröße zur Erfassung der Oberflächenkonfiguration dar. Die vorliegende Arbeit untersucht anhand emittierender Proben, die
anschließend mit einer Vielzahl von Gasen beaufschlagt werden, ob eine Gasdetektion auf Basis der thermischen Emission an Raumluft
möglich ist.


Nach dem Aufbau einer speziellen Meßmimik die es erlaubt, Ströme oberhalb von 100 fA definiert nachzuweisen, werden auf Basis der
Oxide des Bariums, des Scandiums und des Cer sowie aus Mischungen von Barium- und Scandium-Oxid selbstbeheizte Proben
präpariert. Sie zeigen im Temperaturbereich zwischen 500 und 1050 Grad Celsius einen stabilen negativen Emissionsstrom.


Mit einer Gasmischeinheit, die die definierte Proben-Beaufschlagung mit relevanten Gasen (Wasserstoff, Propan, Methan, Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid etc.) erlaubt, werden die emittierenden Schichten hinsichtlich ihrer gassensitiven Eigenschaften charakterisiert. Es zeigt sich,
daß der negative Emissionssstrom bei Gasangeboten im ppm Bereich materialspezifisch um Größenordnungen schwanken kann und die
Gas-Schicht Wechselwirkung meist reversibel erfolgt. Diese Wechselwirkung ist materialspezifisch noch durch die Oberflächentemperatur
moduliert. Aufgrund der Meßergebnisse kann gezeigt werden, daß die thermische Elektronen-Emission prinzipiell zur Gasdetektion
geeignet ist.


Desweiteren wird die Emission positiv geladener Teilchen von den präparierten Probenoberflächen bei Temperaturen über 500 Grad
Celsius an Raumluft untersucht. Die nach SIMS Analysen wahrscheinlich durch Alkali-Ionen verursachten Ladungsträger zeigen im
Gegensatz zu den negativen thermischen Emissionsströmen keine Stabilität in der Zeit. Eine starkes Ansprechen auf die angebotenen
Gase wird nicht festgestellt.


Versuche mit der Kelvin-Schwinger Methode als weitere Methode zum Nachweis gasinduzierter Austrittsarbeitsänderungen an Raumluft
zeigen bei Meßtemperaturen über 500 Grad Celsius gasinduzierte Änderungen, die neben den chemischen Oberflächeneigenschaften der
Probe noch wesentlich durch deren Oberflächentemperatur moduliert sind.