Die chemische Rezeption und den elektronischen Transduktionsmechanismus während der Gasdetektion mit kolloidalen Sulfid-Quantenpunkten verstehen

• Antragsteller: Dr. Nicolae Barsan
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410284094

Heute werden günstige, kompakte und sehr effiziente Sensoren benötigt, die niedrige Konzentrationen (im ppb Bereich) von toxischen Gasen detektieren können. Aufgrund ihrer guten Signale, ihrer Robustheit und den geringen Kosten, werden heute größtenteils traditionelle auf halbleitenden Metalloxiden (SMOX) basierende, chemiresistive Gassensoren verwendet. Allerdings benötigen auf SMOX basierte Sensoren hohe Betriebstemperaturen zwischen 200 °C und 600 °C, was wiederum zu einem hohen Stromverbrauch und Sicherheitsproblemen führt. Infolgedessen kam es zu dem weltweiten Bestreben schnelle, sensitive und bei niedriger Temperatur betriebene Sensoren zu entwickeln. Metallsulfide haben sich dabei als eine vielversprechende Alternative herausgestellt. Bei Raumtemperatur zeigen auf PbS basierende Sensoren hohe Signale zu NO2 und NH3, und ZnS ist bekannt für hohe Signale zu H2S. Um noch bessere Ergebnisse zu erzielen, werden mittlerweile kolloidale Quantenpunkte (CQDs) für Gassensoren verwendet. Ihr extrem großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis ermöglicht die aktive Wechselwirkung mit den Molekülen des Testgases. Zusätzlich ermöglicht die Kontrolle über die Größe der Sulfid-CQDs die Beeinflussung der elektronischen und optischen Eigenschaften. Das Ziel dieses Projektes ist das Verständnis der chemischen Rezeption der Sulfid-CQDs. Die Ergebnisse anderer Metallsulfide, wie Bi2S3, SnS und ZnS, werden mit denen von PbS verglichen. Die Oberflächen-Reaktionsmechanismen und die möglichen Quellen für Instabilität werden mit Hilfe von operando diffuser Reflexions-Fouriertransformationsinfrarotspektroskopie (DRIFT, engl: diffuse reflectance infrared fourier transform) identifiziert. Operando Messungen der Austrittsarbeit werden einen Einblick in Ladungstransferprozesse geben, die mit der Oberflächenchemie zusammen hängen. Die Ergebnisse werden die Grundlage für ein Modell liefern. Dieses Modell wird als Basis für das Verständnis der Gasdetektion mit Metallsulfiden dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartnerin: Professorin Huan Liu, Ph.D.