Deep Mixing II

Anpassung der Eigenschaften von Halbleiter-Metalloxid-Nanpartikel-Heteroaggretat-Sensoren aus einer Aerosol-Mischungszone

01.10.2024 bis 30.09.2027

Die Eigenschaften von Nanomaterialien hängen stark von ihrer Struktur und chemischen Zusammensetzung ab. Ein Beispiel sind Aggregate aus Partikeln mit Partikeldurchmessern im Bereich von einigen bis einigen zehn Nanometern. Ihre Eigenschaften ändern sich, wenn Partikel aus zwei unterschiedlichen Materialien miteinander gemischt werden (Heteroaggregat). Aufgrund der verschiedenen Eigenschaften ist es wichtig, für jede Probe zu wissen, ob Partikel verschiedener Materialien vollständig gemischt sind oder ob Partikel des gleichen Materials zu Clustern miteinander verbunden sind. In diesem Projekt werden Filme aus Nanopartikel-Heteroaggregaten für die Anwendung als Gassensoren untersucht, die wichtige Hilfsmittel zur Analyse der Luftqualität oder zur Erkennung von Lecks in Rohrleitungen sind. Die Filme werden mittels der sogenannten „Doppelflammen-Sprühpyrolyse“ erzeugt. Ausgangsstoffe der beiden Materialien werden getrennt in zwei Flammen gesprüht, wo sie zunächst Nanopartikel, anschließend Cluster und nach Überschneidung der beiden Flammen Heteroaggregate bilden. Zu Beginn werden Mischungen aus Zinnoxid (SnO2) und Kobaltoxid (Co3O4) in Bezug auf ihre Eignung für die Detektion von Gasen wie CO, H2, NO2 und Aceton untersucht. Diese Materialkombination hat bereits vielversprechende Vorergebnisse gezeigt, eine systematische Untersuchung fehlt jedoch noch. Um diese Lücke zu schließen, werden systematisch Sensoren untersucht, bei denen die Mischung von Nanopartikeln durch Variation von Parametern der Proben Synthese variiert werden. Die erwarteten Unterschiede bei der Mischung müssen sehr genau überprüft werden. In der vorangegangenen Förderperiode wurden Methoden zur Charakterisierung der Mischung mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) entwickelt, die auf maschinellem Lernen basieren. Bisher wurden diese Methoden nur auf Materialkombinationen mit gutem Materialkontrast in den STEM-
Bildern angewendet. SnO2-Co3O4-Heteroaggregate erfordern neue, auf Spektroskopie basierende Methoden, da SnO2 und Co3O4 in STEM-Bildern ununterscheidbar sind. Diese Methoden werden entwickelt, um mit ihnen die Mischung in bisher nicht analysierbaren Heteroaggregaten messen zu können. Die Kombination aus Materialsynthese, Probencharakterisierung und funktioneller Anwendung innerhalb eines Projekts bietet die großartige Gelegenheit, ein theoretisches Modell des Sensorverhaltens von Nanopartikel-Heteroaggregatfilmen zu entwickeln. In der Halbleiterindustrie wird in vielen Bauteilen genutzt, dass zwei Materialschichten mit unterschiedlicher Dotierung eine Grenzfläche bilden, die als „p-n-Übergang“ bezeichnet wird. Der p-n-Übergang ist sehr gut verstanden und theoretisch beschrieben. Es konnte jedoch noch nicht nachgewiesen werden, dass sich p-n-Punkt-Kontakte zwischen Nanopartikeln auf die gleiche Weise verhalten. Ziel ist es, diese offene Frage zu klären und so einen großen Beitrag auf diesem Forschungsgebiet zu leisten.