Präparation und Optimierung von SnO2-Schichten und deren Reaktivität

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Präparation und Optimierung druckfähiger Metalloxidsole für die Herstellung von Halbleitergassensoren entwickelt. Im Mittelpunkt stehen die Entwicklung eines Sols und der Einfluss der Präparation auf die Morphologie der Wirkschichten und deren Selektivität. Die Detektion von Gasen erfolgt bei Metalloxidsensoren durch die Adsorption von Molekülen an der Oberfläche und dadurch verursachten Widerstandsänderungen des Sensors. Die Grundlagen der Leitfähigkeitsmechanismen dargestellt. Es folgt eine zusammenfassende Darlegung der Adsorptionsvorgänge an der Sensoroberfläche; eine Erläuterung der Präparationsverfahren zur Herstellung von Metalloxidsensoren schließt sich an. Als Sensormaterial dient Zinndioxid (SnO2). Die zum Betrieb der Sensoren notwendigen Voraussetzungen werden vorgestellt und die Reaktionen auf Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffdioxid (NO2) sowie der Feuchteeinfluss theoretisch behandelt. Zur Präparation der Sensoren werden unterschiedliche Substrate verwendet. Als Sensormaterial dient hierbei SnO2. Dieses wird mit verschiedenen Dispersionsmitteln versetzt, um ein druckfähiges Sol herzustellen. Das Sol wird in einer Perlmühle gemahlen, um die Körner der polykristallinen Schichten zu verkleinern und daraus resultierend eine erhöhte Sensitivität zu erzielen. Anschließend werden die so präparierten Sole zunächst durch das Suspensionsverfahren auf die Substrate aufgebracht und deren gassensitive Eigenschaften an Hand der Widerstandsänderungen auf die ausgewählten Testgase untersucht. Parallel dazu wird die Druckbarkeit der Sole auf Testsubstrate überprüft. Optische Überprüfungen und REM-Aufnahmen geben Aufschluss über die morphologischen Eigenschaften der Wirkschichten. Der Einfluss der Solpräparation auf die morphologischen und gassensitiven Eigenschaften der Sensoren wird erläutert, wobei der Schwerpunkt auf der Änderung der Sensitivität in Abhängigkeit von der Mahldauer des Sols in einer Perlmühle liegt. Das Mahlen des Sols bewirkt eine Verkleinerung der Korngrößen der präparierten Sensoren. Durch die Verwendung organischer Dispersionsmittel können SnO2-Sensoren mit homogenen Wirkschichten hergestellt werden. Bezogen auf die angebotenen Gase wird eine Sensitivitätssteigerung der so präparierten Gase beobachtet. Das Verfahren ermöglicht eine reproduzierbare Herstellung von SnO2-Schichten auf unterschiedlichen Substraten. Der Einfluss der Solpräparation auf die Morphologie der Wirkschichten und die damit verbundenen Änderungen der Sensitivität werden ausgewertet und zusammengefasst. Des weiteren werden zwei Modelle zur Beschreibung der sensitiven Eigenschaften von Sensoren vorgestellt. Das Modell von Wang et. al. beschreibt die Sensitivität der Sensoren in Abhängigkeit der Kornübergänge. Bereiche mit hoher Ladungsträgerdichte zwischen den Körnern bilden Kanäle, die in Abhängigkeit anwesender Gase verarmen können und so nur noch bedingt zum Ladungstransport beitragen. Durch eine Verkleinerung des Kanaldurchmessers ergibt sich eine Sensitivitätssteigerung von SnO2-Sensoren. Diese Modellberechnungen stützen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit. Die erreichte Sensitivitätsverbesserung der eigens präparierten Sensoren kann auf veränderte Kanalübergänge zwischen den Körnern zurückgeführt werden. Die Sensoren weisen eine Sensitivitätssteigerung mit zunehmendem Anteil von Körnern zwischen 20 nm und 40 nm gegenüber Körnern größer als 50 nm auf. Ein weiteres Modell von zur Veranschaulichung der sensitiven Eigenschaften stellt das von Sakai et. al. dar. Es setzt die Sensitivität von SnO2-Sensoren in Abhängigkeit zur Porosität der Schichten. Diese beeinflusst die Diffusion und somit die Gaskonzentration in der Schicht. Die Herstellung hochporöser Schichten mit einer Vielzahl von Mesoporen resultiert somit in einer Sensitivitätssteigerung der Sensoren. Durch das Mahlen in der Perlmühle wird die Agglomeratbildung in den hier dargestellten Untersuchungen verhindert und so bei gleich bleibender Korngröße eine Sensitivitätssteigerung erreicht. Die Porosität der Schichten wird vergrößert, was die Sensitivität verbessert. Tin oxide films have been prepared and deposited by sol gel method using screen printing and suspension methods to produce semi conducting gas sensors. The influence of various parameters such as grinding and different ingredients, thickness of the coatings and their microstructure on the sensitivity to CO and NO2 have been investigated. Grinding the sol results in a reduction of the mean grain size. Using organic dispergators results in homogenous surfaces. An increases sensitivity of the produced sensors can be found. The shown methods allow reproducible production of gas sensors on various substrates.