Perkolationseffekte in Kupferoxiden

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Reaktion von drei verschiedenen halbleitenden Kupferoxiden (CuO, Cu4O3 und Cu2O) mit gasförmigen Schwefelwasserstoff (H2S) zu metallisch leitendem Covellin (CuS) untersucht. Dazu sind Proben mittels thermischer Oxidation von Kupfer-Dünnschichten, Sputterdeposition, Elektrospinning und Imprägnierung von Silica-Nanofasern hergestellt worden. Während des Angebotes von gasförmigen H2S bei 160°C bis 180°C Probentemperatur weist der elektrische Leitwert in Abhängigkeit von der Zeit Bereiche mit unterschiedlicher Kinetik auf. Diese sind jeweils durch chemische Reaktivität, Perkolation und Diffusion dominiert. Die Bereiche können je nach Probe durch Zwischenregionen separiert sein oder sich überlagern. Neben der Messung des elektrischen Leitwertes werden die Proben durch REM-Aufnahmen, EDX-Analysen, Raman Spektroskopie, XPS-Analysen, ToF-SIMS Untersuchungen und Datenanalysen des elektrischen Leitwertverhaltens charakterisiert.Messungen mit unterschiedlichen H2S-Konzentrationen deuten bei den Proben auf ein Dosimeter Verhalten hin. Während die Dünnfilm- und Schicht-Proben eine Eignung als Einweg H2S-Gasdosimeter aufweisen, können die CuO-Nanofasern bei 350°C regeneriert und danach für weitere Messungen wieder verwendet werden. Mit den CuO-/Silica-Nanofasern sind auch quasi-kontinuierliche H2S Messungen möglich.Für das Leitwertverhalten der Kupferoxide bei Angebot von Schwefelwasserstoff wird abschließend ein Modell entwickelt, das die unterschiedlichen Präparationsweisen berücksichtigt. This work investigates the reactions of three different semiconducting copper oxides (CuO, Cu4O3 and Cu2O) with gaseous hydrogen sulfide (H2S) to metallic conducting covellite (CuS). Therefore, samples were prepared by thermal oxidation of copper thin films, sputter deposition, electrospinning and impregnation of silica-nanofibers. Depending on the time of H2S gas exposure at 160°C - 180° C the conductance shows regimes with different kinetics. These regimes are dominated by chemical reactivity, percolation effects or diffusion. According to sample characteristics these regimes can appear as separated or superimposed. The interpretation of the observed conductance behavior is based on supplementary information from SEM-images, EDX-analysis, Raman spectroscopy, XPS-analysis, and ToF-SIMS results.Measurements at different H2S concentrations show a dosimeter type behavior of the samples. Whereas the thin films and the sputter samples are limited to a single use as H2S gas dosimeter the CuO-nanofibers can be regenerated at 350°C and multiply used for dose measurements. Quasi-continuous measurements can be realised by CuO-/silica nanofibers.Finally a model is derived describing the observed conductance behavior of the copper oxides under hydrogen sulfide exposure considering also the effects caused by the applied preparations.