Adsorbatinduzierte Perkolationseffekte in nanokristallinen halbleitenden Oxiden - Vergleich von Experiment und Computersimulation

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Claus-Dieter Kohl (†); Privatdozentin Dr. Stefanie Russ
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 34712478

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Forschungsvorhaben untersucht in Kooperation mit der Gruppe um Prof. Kohl der Angewandten Physik Gießen die gassensitiven Eigenschaften von nanokristallinen halbleiteno den Schichtsystemen aus versinterten Metalloxidkörnern. Wir wollen in enger Kooperation zwischen Theorie und Experiment herausfinden, unter welchen Umständen unter Einfluss eines reduzierenden Gases dort Perkolationseffekte zu einem sprunghaften Ansteigen der elektrischen Leitfähigkeit führen und welche Systemparameter dabei die tragende Rolle spielen. Außerdem wollen wir die dafür maßgeblichen mikroskopischen Mechanismen verstehen und aus diesem Verständnis heraus Verbesserungen und neue Konzepte für die verschiedenen Gassensoren vorschlagen. In der 1. Phase des Antragszeitraums haben wir programmgemäß den Phasenübergang leitend-nichtleitend an SnO2 -Systemen untersucht. Wir fanden, dass der Übergang ein sehr komplexes Verhalten zeigt, bei dem verschiedene Effekte miteinander konkurrieren: Platzperkolation, Bindungsperkolation und die generelle Verbesserung der bestehenden Bindungen mit steigendem Gasangebot. Da unsere Kooperationspartner in ersten Untersuchungen den gesuchten Ubergang experimentell nicht beobachten konnten, untersuchten wir zum besseren mikroskopischen Verständnis monodisperse geordnete Systeme analytisch. Wir fanden als Hauptergebnis, dass die Sensor-Kennkurven in diesem Fall ein kritisches Verhalten zeigen, das sich gut verstehen lässt. Die Form der Kennkurve ist recht universell und kann durch Veränderung der Korngröße beeinflusst werden. Der Anstieg bei steigender Gaskonzentration verläuft bei kleiner Korngröße (≈ 10 nm) sehr steil und ähnelt einem ”echten” Perkolationsübergang, bei größeren Körnern jedoch verläuft die Kurve flacher und ist daher experimentell möglicherweise tatsächlich schwieriger aufzufinden. Bei polydispersen Syo stemen mit breiter Korngrößenverteilung treten Perkolationseffekte auf, die die Kennkurve wieder steiler werden lassen. Zum experimentellen Nachweis empfehlen wir, verschiedene Korngrößenverteilungen mit möglichst kleinen Körnern zu betrachten und zu vergleichen. Nachdem unsere Kooperationspartner die ursprüngliche Fragestellung etwas erweitert und auch noch CuO/CuS-Systeme auf ihre Perkolationseigenschaften hin untersucht haben, betrachteten wir diese Systeme ebenfalls. Der Leitungsmechanismus von Korn zu Korn ist hier ein anderer, so dass andersartige Simulationen an zweikomponentigen Mischsystemen notwendig wurden. Experimentell zeigten diese Systeme sofort den erwarteten sprunghaften Anstieg der Leitfähigkeit. Der Schwerpunkt unserer Untersuchungen lag daher bei der Interpretation der vorliegenden Daten. Wir konnten zeigen, dass die gemessenen Leitfähigkeiten σ(t) als Funktion der Zeit einen potenzgesetzartigen Anstieg zeigen, der tatsächlich stark auf Perkolationsverhalten hindeutet. Im dritten Projektteil haben wir programmgemäß np-Mischsysteme durch Computersimulatonen untersucht, um frühere experimentelle Arbeiten zu verstehen und zu sehen, ob diese Systeme ein selektives Verhalten zeigen. Tatsächlich zeigen unsere Analysen, dass dies der Fall ist. Die Ergebnisse werden voraussichtlich noch 2013 zur Veröffentlichung eingereicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Gas Sensitivity in Nanoporous Crystalline Metal Oxides: Dependence on Coordination Number, DPG Frühjahrstagung, 2009, Dresden
  Julia Dräger, Markus Ulrich, Claus-Dieter Kohl, Stefanie Russ und Armin Bunde
  
• Gas sensitivity in nanoporous crystalline metal oxide: a sitebond percolation approach, DPG Frühjahrstagung, 2010, Regensburg
  Jörg Hennemann, Tilman Sauerwald, Claus Dieter Kohl, Julia Dräger, Stefanie Russ, Armin Bunde
  
• Gas-induced metal-insulator transition in nanoporous crystalline multilayered metal oxide systems, DPG Frühjahrstagung, 2011, Dresden
  Julia Dräger, Stefanie Russ, Claus-Dieter Kohl, und Armin Bunde:
  
• Electrospun Copper(II)oxide Fibers as Highly Sensitive and Selective Sensor for Hydrogen Sulfide Utilizing Percolation Effects; Proc. IMCS 2012: The 14th International Meeting on Chemical Sensors, May 20 - 23, 2012, Nuremberg, Germany. 2012, AMA Service GmbH, S. 197-200; ISBN: 978-3-9813484-2-2
  J. Hennemann, T. Sauerwald, T. Wagner, C.-D. Kohl, J. Dräger und S. Russ
  
• Gassensor für Schwefelwasserstoff mit integrierender Funktion in: R. Schmitt (Hrsg.), XXVI. Messtechnisches Symposium des AHMT e.V., Aachen, Germany, September 20-21, 2012, Shaker Verlag, Aachen, ISBN 978-3-8440-1312-2, pp. 5-16
  Jörg Hennemann, Julia Dräger, Stefanie Russ, Claus-Dieter Kohl, und Armin Bunde
  
• H2 S detection utilizing percolation effects in copper oxide; Proc. Sensor 2013; ISBN: 978-3-9813484-3-9
  T. Sauerwald, J. Hennemann, C.-D. Kohl, T. Wagner und S. Russ
  
• Percolation effects in metal oxide gas sensors and related systems; in: ”Gas Sensing Fundamentals”; Edited by C.-D. Kohl und T. Wagner (Springer, Heidelberg, 2013)
  T. Sauerwald und S. Russ
  
• Percolation transition in the gas-induced conductance of nanograin metal oxide films with defects; J. Appl. Phys. 113, 223701 (2013)
  J. Dräger, S. Russ, T. Sauerwald, C.-D. Kohl und A. Bunde