Unraveling the Detection Mechanism of Indium Oxide Based Gas Sensors

Abstract

Die Anwendung von Gassensoren ist Gegenstand vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Unter den Schlagwörtern „Elektronische Nase“ haben sie in den letzten Jahren insbesondere zur Automatisierung des Smart Homes beigetragen und bilden die Grundlage für die Funktion zahlreicher Sicherheitssysteme. Gassensoren, die auf Metalloxid-Halbleitern (SMOX) basieren, zeichnen sich hierbei durch ihre Robustheit, hohe Messempfindlichkeit, Langzeitstabilität und kostengünstige Produktion aus. Die im Vergleich zu aufwendigeren Analysesystemen geringere Selektivität schränkt ihre Anwendung jedoch ein. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht in der Kombination verschiedener SMOX-Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu einem Sensor-Array. Die meisten kommerziell erhältlichen SMOX-Gassensoren bestehen aus Zinnoxid. Es gibt allerdings zahlreiche andere SMOX-Materialien, die seit Jahrzehnten ebenfalls untersucht werden und interessante Eigenschaften besitzen. Eines dieser Materialien ist In2O3. Diese Arbeit untersucht, wie sich die Wahl der Syntheseroute von Indiumoxid auf die Sensoreigenschaft und somit letztlich auf den Mechanismus während der Gasdetektion auswirkt. In den Widerstandsmessungen konnte gezeigt werden, dass die Materialien, je nach Herstellungsmethode, stark, schwach oder gar nicht auf eine Änderung in der relativen Feuchte reagieren. Durch operando diffuse Reflexions-Fouriertransformationsinfrarotspektroskopie (DRIFTS) und Rechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) konnte herausgefunden werden, dass die In2O3 Gassensoren auf der Oberfläche verschiedene Hydroxylierungsgrade besitzen, was somit den Grund für die unterschiedlichen Verhaltensweisen darstellt. Eine weitere gängige Methode zur Erlangungen verbesserter Charakteristika ist die Verwendung von Edelmetalloxiden. Um herauszufinden, wie diese den Detektionsmechanismus beeinflussen, wurde In2O3 mit Rh bzw. Pt oberflächlich beladen. Beide Oberflächenbeladungen zeigten bei den Widerstandsmessungen im Vergleich zum unbeladenen Material eine drastische Änderung der Sensoreigenschaft. Untereinander unterscheiden sie sich jedoch kaum. Durch DRIFTS-Messungen konnte gezeigt werden, dass die Gase auf den Edelmetallclustern reagieren. Diese neue Erkenntnis deutet, wie in den Fällen von beladenen SnO2 und WO3 Gassensoren, auf den Fermi-Level Mechanismus hin.