Characterization of Oxygen-terminated Diamond Electrodes for Electrochemical Applications

Diese Arbeit befasst sich mit der elektrochemischen Charakterisierung von sauerstoff-terminierten Diamantelektroden. Diamant ist ein äußerst attraktives Material für elektro- und biochemische Anwendungen. Die Vorteile gegenüber z. B. Metall- oder Graphitelektroden liegen in der hohen chemischen Stabilität, dem weiten Potentialfenster für die Wasserzersetzung, den geringen Hintergrundströmen innerhalb dieses Potentialfensters, sowie der Biokompatibilität von Diamant. Diese Eigenschaften erlauben Anwendungen unter Extrembedingungen, beispielsweise pH-Messungen in starken Säuren und Laugen bei erhöhten Temperaturen, oder den Einsatz zur Oxidation organischer Stoffe.
Direkt nach dem Schichtwachstum ist Diamant wasserstoffterminiert. Da diese Terminierung jedoch z. B. in oxidierenden Umgebungen nicht stabil ist, wird sie durch eine Oberflächenoxidation in eine Sauerstoffterminierung der Oberfläche umgewandelt. Die Eigenschaften von sauerstoffterminierten Diamantelektroden sind jedoch sehr stark von der Art der Oberflächenbehandlung abhängig. Dieser Punkt wird innerhalb dieser Arbeit anhand von elektrochemischen Messverfahren (Zyklische Voltammetrie, Impedanzspektroskopie) untersucht. Ein Parameter, welcher zur Charakterisierung der Diamantelektroden verwendet wurde, war dabei die Energiebarriere, die sich ohne äußere angelegte Spannung and der Halbleiter-Elektrolyt-Grenzfläche ausbildet.
Die Ergebnisse dieser Charakterisierungen werden mit der Analyse von XPS-Messungen korreliert. Diese zeigten, dass sowohl die Anteile verschiedener Kohlenstoff-Sauerstoffgruppen als auch der Anteil an nicht-Diamantphasen (sp2-Bindungen) nahe der Elektrodenoberfläche von der Wahl des Prozesses zur Oberflächenoxidation abhängt. Es wurden die Elektrodeneigenschaften nach vier verschiedene Oxidationsprozesse untersucht: nach nasschemischer Oxidation, nach anodischer Polarisation in alkalischer Lösung, sowie nach zwei unterschiedlichen Plasmaprozessen.
Die Diamantelektroden zeigten typische Potentialfenster für die Wasserzersetzung von 3,0 bis 3,5 V und sehr geringe Hintergrundströme. Innerhalb dieses Potentialfensters konnten Adsorptions- und Desorptionseffekte beobachtet werden, die von dem jeweiligen Prozess zur Oberflächenoxidation beeinflusst werden. Die Oberflächenbarriere lag für die verschiedenen Oxidationsmethoden zwischen etwa 1,0 und 1,8 eV. Zudem konnten Plasmaprozesse zu Oberflächenzerstörungen führen, welche bei der Prozessierung von Diamantelektroden beachtet werden müssen.
Zudem wurden innerhalb dieser Arbeit verschiedene Anwendungsbeispiele untersucht: Es konnte gezeigt werden, dass sich Diamantelektroden hervorragend zur elektrochemischen Oxidation von Ethanol eigen. Daneben wurde ein Konzept für ein Diamant-Mikroelektrodenarray vorgestellt.
Abschließend wurden als Vergleich Elektroden basierend auf Gallium- und Indiumnitrid vorgestellt. Es zeigte sich, dass diese Elektroden unter oxidierenden Bedingungen degradieren, obwohl die Gruppe-III-Nitride ebenfalls als chemisch sehr stabil gelten. Dies zeigt den Vorteil von Diamant für den Einsatz unter extremen elektrochemischen Bedingungen.