SnO2(110) und Nano-SnO2: Charakterisierung mit oberflächenspektroskopischen Methoden

Abstract

Chemische Gassensoren auf SnO2 Basis sind bestens für eine schnelle, empfindliche, exakte und günstige Bestimmung der Gaszusammensetzung in unserer Umgebung geeignet. Ein detailliertes Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Materials ist für ein Verständnis und für die systematische Entwicklung von SnO2 Gassensoren unbedingt erforderlich. Da Gase nur mit den obersten atomaren Schichten wechselwirken, ist die Charakterisierung der Oberfläche eine Voraussetzung für weitere Studien. Aus diesem Grund wurde die thermodynamisch stabilste Oberfläche des SnO2, die (110) Oberfläche, auf ihre geometrischen und elektronischen Eigenschaften mit atomar aufgelöster Rastertunnelmikroskopie (STM), niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und hochaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (SRPES, UPS, XPS) hin untersucht. Vergleichende Messungen der Valenzbandstruktur von dotierten und undotierten SnO2 Gassensoren wurden durchgeführt. Die nanokrystallinen Körner der Gassensoren mit einem mittleren Radius von 10 nm wurden in einem Sol-Gel Prozess hergestellt und über einen Siebdruckverfahren auf die Sensorsubstrate aufgebracht. Diese Sensoren haben in zahlreichen Gasmessungen unter Umgebungsbedingung eine hohe Reproduzierbarkeit bewiesen. Ein neues Modell für den Rekonstruktionsprozess des reduzierten SnO2(110) konnte mit Hilfe von STM, LEED und XPS Messungen aufgestellt werden. Die 4x1, sowie zum ersten mal eine 2x1 Struktur wurden atomar aufgelöst abgebildet und ein Modell in Übereinstimmung mit älteren Arbeiten konnte vorgeschlagen werden. SRPES Messungen an den Gassensoren deuten darauf hin, dass die Dotierstoffe hauptsächlich im Festkörper der Körner eingelagert werden und höchsten in sehr niedrigen Konzentrationen an der Oberfläche vorhanden sind. Die beobachteten Änderungen der Zustandsdichte in der Bandlücke stammen somit nicht vom Dotiermittel, sondern vom SnO2 selbst.

Chemical gas sensors based upon SnO2 fit in the demand for a fast, sensitive, accurate and inexpensive determination of gas compositions in our environment. A detailed understanding of the physical and chemical properties of SnO2 which are relevant for gas-interaction, is necessary for understanding and systematically improving SnO2 gas sensors. Since gases are interacting only with the uppermost atomic layers, a characterization of the material's surface is a prerequisite. For this reason, the thermodynamically most stable surface, the SnO2(110) surface, is investigated according to its geometric and electronic properties by atomically resolved scanning tunneling microscopy (STM), low energy electron diffraction (LEED) and high resolution photoemission spectroscopy (SRPES, UPS) under well-defined UHV conditions. Comparative data of the valence band structure are acquired by photoemission spectroscopy on doped and undoped SnO2 gas sensors based upon nanocrystalline material. The grains with a mean radius of 10 nm are produced by a sol-gel process and screenprinted onto the sensor's substrate. These sensors had already proven a very high reproducibility in gas test measurements of the sensor's resistance and the work function of the surface under ambient air conditions. A new model for the reconstruction process of the reduced SnO2(110) surface could be established by STM, LEED and XPS investigations. The 4x1 and for the first time a 2x1 structure could be atomically resolved and a model could be proposed which is in agreement with earlier STM results. SRPES measurements of the gas sensors point towards the conclusion that the dopant is mainly incorporated into the bulk, only in very low concentration present on the surface and therefore not accessible to photoelectron spectroscopy in the applied photon energy range. The detected changes in the density of states in the band gap would therefore not be derived from the dopant, but from the SnO2 material itself.