2026-09-18T17:38:37Zhttps://publikationen.uni-tuebingen.de/oai/requestoai:publikationen.uni-tuebingen.de:10900/1493412024-01-16T02:23:01Zcom_10900_42126col_10900_42133
Publikationssystem UB Tuebingen
advisor
Weimar, Udo (Prof. Dr.)
author
Ruß, Tamara Maria
2024-01-15T12:05:07Z
2024-01-15
http://hdl.handle.net/10900/149341
Since the late 1960s, chemo-resistive gas sensors have been getting a lot of attention. The
materials used for this type of gas sensors have some inherent advantages like their low
cost, as well as the ease of manufacture and miniaturization. These sensors, however, also
have some inherent drawbacks. These include a lack of selectivity and high power
consumption since they are constantly heated to temperatures between 200 and 500 °C.
In this Thesis, two different classes of materials were investigated for the use in chemoresistive
gas sensors operated at temperatures below 100 °C. First, with the help of
supercritical fluid reactive deposition, WO3 nanoparticles were surface loaded with
metallic Pt clusters. Most publications of Pt or Pd-loaded semiconducting metal oxide
materials reported the presence of oxidized noble metal clusters and found a Fermi level
pinning mechanism. In this Thesis, experimental proof was found that SFRD results in
metallic Pt clusters and a spillover sensing mechanism. The second investigated class of
materials for their gas sensing properties below 100 °C were semiconducting metal
sulfides. The amount of research on this class of materials for gas sensors is relatively low
and when this work was started, there were no publications with experimental proof for
sensing mechanisms to any gas. In this Thesis, PbS colloidal quantum dots and Bi2S3
nanorods were investigated for their gas sensing properties. The sensing mechanisms to
NO2 for both materials were revealed. For Bi2S3, the sensing mechanism to O3 was
investigated as well, in addition to the interference of O3 with the sensing mechanism to
NO2. It was found that the investigated metal sulfides in this Thesis react selectively with
oxidizing gases. For PbS, it was additionally found that the presence of organic ligands
used to stabilize the colloidal quantum dots have a significant effect on the stability of the
sensor as well as the sensing mechanism to NO2. It was revealed that NO2 reacted with
the residual organic ligand which resulted in the formation of an insulating organic shell
around the CQDs as well as an initial boost of the sensing response due to a byproduct
formed during the decomposition reaction of the organic ligand. For Bi2S3, it was found
that the sensing mechanism with NO2 changed in dependence on the present
concentration. While low NO2 concentrations resulted in healing of sulfur vacancies,
higher concentrations resulted in the formation of nitrates.
Seit den späten 1960ern bekommen chemo-resistive Gassensoren viel Aufmerksam. Die
Materialien, die für diese Art von Sensoren verwendet werden, haben einige inhärente
Vorteile wie einen geringen Preis, sowie die einfache Verarbeitung und Miniaturisierung.
Allerdings haben sie auch inhärente Nachteile, wie zum Beispiel die Selektivität und relativ
hohe Stromverbräuche, da die Sensoren konstant auf Temperaturen zwischen 200 und
500 °C beheizt werden. In dieser Thesis wurden zwei verschiedene Materialklassen für
chemo-resistive Gassensoren, betrieben bei unter 100 °C, untersucht. Zunächst wurden
mit Hilfe der Überkritischen Reaktivabscheidung WO3 Nanopartikel mit metallischen Pt-
Clustern beladen. Die meisten Publikationen, die Pt- oder Pd-beladenes WO3 behandeln,
berichten von oxidierten Edelmetall-Clustern und dem Fermi-level pinning Mechanismus.
Im Rahmen dieser Thesis wurde experimentell bewiesen, dass metallische Pt-Cluster in
einem Spillover-Mechanismus resultieren. Die zweite Materialklasse, die auf ihre
Gassensoreigenschaften bei unter 100 °C untersucht wurden, waren halbleitende
Metallsulfide. Die verfügbare Menge an Literatur für diese Materialklasse ist
vergleichsweise gering und zu Beginn der hier präsentierten Thesis gab es keine
Publikationen mit experimentellen Beweisen für Detektionsmechanismen. Im Rahmen
dieser Thesis wurden kolloidale PbS Quantenpunkte und Bi2S3 Nanostäbchen auf ihre
Gassensoreigenschaften untersucht. Der NO2-Detektionsmechanismus wurde für beide
Materialien aufgedeckt. Für Bi2S3 wurde zudem der O3-Detektionsmechanismus und die
daraus resultierende Interferenz mit der NO2-Detektion untersucht. Beide Metallsulfide
reagierten selektiv auf oxidierende Gase. Mit PbS wurde zudem entdeckt, dass der
organische Ligand, der zur Stabilisierung der Quantenpunkte verwendet wurde,
erheblichen Einfluss auf sowohl die Sensorstabilität als auch den NO2 Detektionsmechanismus
hat. NO2 reagierte mit dem organischen Liganden, was sowohl in der
Bildung einer isolierenden Schicht um die halbleitenden Quantenpunkte resultierte als
auch in einer Verstärkung des Sensorsignals aufgrund eines gebildeten Nebenprodukts
der Reaktion. Bei Bi2S3 wurde entdeckt, dass der NO2-Detektionsmechanismus sich mit
zunehmender NO2-Konzentration verändert. Während bei niedrigen Konzentration
Schwefel-Leerstellen geheilt werden, bilden sich bei höheren Konzentrationen Nitrate.
en
ubt-podok
Gas Sensing at Low Temperatures with Different Semiconducting Materials
PhDThesis
URL
https://publikationen.uni-tuebingen.de/xmlui/bitstream/10900/149341/1/RussT_LowTemperatureGasSensing.pdf
File
MD5
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