DeepMixing II – Anpassung der Eigenschaften von Halbleiter-Metalloxid-Nanopartikel-Heteroaggregat-Sensoren aus einer Aerosol-Mischungszone
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz M?dler
Universit?t Bremen
Prof. Dr. Andreas Rosenauer
Universit?t Bremen
Dr. Nicolae B?rsan
Universit?t Tübingen
Die Eigenschaften von Nanomaterialien h?ngen stark von ihrer Struktur und chemischen Zusammensetzung ab. Ein Beispiel sind Aggregate aus Partikeln mit Durchmessern im Bereich von einigen bis einigen zehn Nanometern. Ihre Eigenschaften ?ndern 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 vollst?ndig gemischt sind oder ob Partikel des gleichen Materials zu Clustern miteinander verbunden sind.
In diesem Projekt werden wir Filme aus Nanopartikel-Heteroaggregaten für die Anwendung als Gassensoren untersuchen, die wichtige Hilfsmittel zur Analyse der Luftqualit?t oder zur Erkennung von Lecks in Rohrleitungen sind. Die Filme werden mittels der sogenannten Doppelflammensprühpyrolyse erzeugt. Ausgangsstoffe der beiden Materialien werden getrennt in zwei Flammen gesprüht, wo sie zun?chst Nanopartikel, anschlie?end Cluster und nach ?berschneidung der beiden Flammen Heteroaggregate bilden. Zu Projektbeginn werden wir Mischungen aus Zinnoxid und Kobaltoxid in Bezug auf ihre Eignung für die Detektion von Gasen wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Stickstoffdioxid und Aceton untersuchen. Diese Materialkombination hat bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt, eine systematische Untersuchung steht jedoch noch aus. Um diese Lücke zu schlie?en, werden wir systematisch Sensoren untersuchen, bei denen wir die Mischung von Nanopartikeln durch Variation von Parametern der Probensynthese variieren.
Die erwarteten Unterschiede bei der Mischung müssen sehr genau überprüft werden. In der vorangegangenen F?rderperiode (DeepMixing I) haben wir Methoden zur Charakterisierung der Mischung mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) entwickelt, die auf maschinellem Lernen basieren. Bisher wurden diese Methoden nur auf Materialkombinationen mit hohem Materialkontrast in den STEM-Bildern angewendet. Zink-Kobaltoxid-Heteroaggregate erfordern neue hybride Methoden, da Zinkoxid und Kobaltoxid in STEM-Bildern kaum unterscheidbar sind. Wir werden diese Methoden entwickeln, um mit ihnen die Mischung in bisher nicht analysierbaren Heteroaggregaten messen k?nnen. Hierfür werden wir R?ntgenspektroskopie und tomographische Rekonstruktion in die Messung und Auswertung integrieren.
Die Kombination aus Materialsynthese, Probencharakterisierung und funktioneller Anwendung innerhalb eines Projekts bietet die gro?artige 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 Grenzfl?che bilden, die als p-n-?bergang bezeichnet wird. Der p-n-?bergang ist sehr gut verstanden und theoretisch beschrieben. Es konnte jedoch noch nicht nachgewiesen werden, ob sich p-n-Punktkontakte zwischen Nanopartikeln auf dieselbe Weise verhalten. Unser Ziel ist es, diese offene Frage zu kl?ren und so einen gro?en Beitrag auf diesem Forschungsgebiet zu leisten.