Strategies for Development and Investigation of Chemoresistive Gas Sensors

Abstract

Chemoresistive Gassensoren auf der Basis halbleitender Metalloxide (semiconducting metal oxides, SMOX) sind vielseitig und einfach herzustellen. Der Sensorprozess beginnt mit der Rezeption, d.h. der chemischen Wechselwirkung von Analyt und Oberfläche, gefolgt von der Transduktion, welche die Übersetzung dieser Wechselwirkungen in messbare elektrische Signale beschreibt. Deren grundlegendes Verständnis ist, ebenso wie das der Reaktionen von Sauerstoff und Wasser, die Voraussetzung für die Untersuchung weiterer Analyte. Ein gravierender Nachteil der SMOX-Sensoren ist ihr Mangel an Selektivität. Deshalb werden in dieser Arbeit verschiedene Strategien zur Abmilderung dieses Defizits vorgestellt. Die Eigenschaften von NiO, LaFeO3/SmFeO3, Sn3O4 und Silizium-Nanodrähten als alternative Materialien werden erforscht. Auch die häufig verwendeten Materialien SnO2, WO3 und In2O3 werden durch Dotieren und Beladen verändert. Außerdem wird der Einfluss der Struktur besprochen. Darüber hinaus wird die Aktivierung durch Licht und ihr Effekt auf verschiedene SMOX untersucht und mit thermischer Aktivierung verglichen. Die Auswirkungen jeder Strategie auf Rezeption und Transduktion, sowie praktische Gesichtspunkte werden diskutiert. Schließlich wird eine Übersicht über Forschungsmethoden gegeben. Diese schließt eine kurze Beschreibung der Apparate, deren Vorteile und Einschränkungen und deren Rolle in den vorgestellten Studien mit ein.

Chemoresistive gas sensors based on semiconducting metal oxides (SMOX) are versatile and easy to manufacture. The sensing process begins with the reception, i.e. the chemical interaction between analytes and surface, followed by transduction, which describes the conversion of these interactions into measurable electrical signals. Their fundamental understanding, along with the reactions of oxygen and water, is prerequisite for the study of other analytes. A major drawback of SMOX sensors is their lack of selectivity. Therefore, different strategies to mitigate this shortcoming are presented in this work. The properties of NiO, LaFeO3/SmFeO3, Sn3O4, and silicon nanowires as alternative materials are explored. Also the commonly used materials SnO2, WO3, and In2O3 are modified by doping and loading. In addition, the influence of structure is discussed. Moreover, light activation and its effect on several SMOX materials is investigated and compared to thermal activation. Each strategy's implications on reception and transduction, as well as practical considerations are discussed. Finally, an overview on investigation methods is presented. This includes a brief description of the instrumentation, their advantages and drawbacks, and their role in the presented studies.