Signalbildende Mechanismen an chemosensitiven nanostrukturierten Halbleiterbauelementen

Um der Emission von klima- und gesundheitsschädlichen Gasen zu begegnen, werden neuartige Abgasnachbehandlungssysteme für Kraftfahrzeuge entwickelt, die mit hochpräzisen und robusten Sensoren überwacht und geregelt werden müssen. In dieser Arbeit wird hierzu ein neuartiges Sensorkonzept vorgestellt, das großes Potenzial bietet, diese Anforderungen zu erfüllen: Mit Hilfe eines chemosensitiven nanostrukturierten Halbleitergassensors können verschiedenste Schadgase hochgenau gemessen werden. Während mit herkömmlichen keramischen Abgassensoren kleine Gaskonzentrationen prinzipbedingt nur mit sehr kleinen Sensorsignalen gemessen werden können, führt eine intrinsische Signalverstärkung bei feldeffektbasierten Halbleitergassensoren zu besserem Signal- zu Rauschverhältnis und damit zu erhöhter Genauigkeit.

Bislang werden jedoch keine halbleiterbasierten Gassensoren im Abgastrakt eingesetzt: Große Herausforderungen liegen einerseits darin, das Halbleiterbauelement für die hohen Temperaturen und korrosiven Bedingungen im Abgas zu stabilisieren. Zum anderen existiert bislang kein einheitliches Verständnis für die signalbildenden Mechanismen an chemosensitiven Halbleitergassensoren. Insbesondere für Sauerstoff und sauerstoffhaltige Gase sind die signalgebenden Vorgänge bislang nur unzureichend verstanden. Ihre Kenntnis ist jedoch Voraussetzung dafür, das Sensorelement gezielt stabilisieren und Sensitivität sowie Selektivität optimieren zu können.

In dieser Arbeit wird daher ein tiefgreifendes Verständnis der signalbildenden Mechanismen chemosensitiver Halbleiterbauelemente erarbeitet. Dabei werden die Stellgrößen identifiziert, die sich auf die Sensitivität und Selektivität des Halbleitergassensors auswirken. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Signalbildung von Stickoxiden (NOx), die im Rahmen dieser Arbeit aus unterschiedlichen Blickwinkeln untersucht wird: Zum einen werden elektrische Sensitivitätsmessungen genutzt, um das Verhalten des Sensors gegenüber verschiedenen Gasangeboten bewerten zu können. Die elektrochemischen Vorgänge an der nanostrukturierten Sensorelektrode werden mittels oberflächenspektroskopischen Analysen beleuchtet. Darüber hinaus werden anhand von FEM-Simulationen die elektrostatischen Parameter des Sensorbauteils unter Berücksichtigung gasinduzierter Ladungen untersucht. Die Erkenntnisse aus diesen drei Teilgebieten werden schließlich zu einem NOx-Signalbildungsmodell zusammengeführt, das die wesentlichen Mechanismen beschreibt, die für die Sensitivität eines nanostrukturierten Halbleiterbauelements gegenüber Stickoxiden verantwortlich sind.