Nanoparticle based strain and chemical sensors

Zhang, Pengcheng; Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor); von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Nanopartikel (NP) können als Bausteinen zu künstlichen Werkstoffen zusammengesetzt werden. Solche Nanopartikel-Materialien besitzen einzigartige elektronischen sowie mechanischen Eigenschaften und sind schon für unterschiedliche Anwendungen zum Beispiel als Deformationssensoren, Datenspeicher, Photodetektor, für den Nachweis von Chemikalien und so weiter eingesetzt geworden. Dank ihrer einzigartigen elektrischen Eigenschaften haben Nanopartikel-Sensoren besonders viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In dieser Arbeit wurden Nanopartikel-Materialien zur Herstellung von Deformationssensoren und Chemikaliensensoren verwendet. Des Weiteren wurde der Einfluss von Feuchtigkeit auf die elektronischen Eigenschaften von Nanopartikel-Materialien untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurden zuerst neue binären Nanopartikel-Materialien hergestellt und zur Fabrikation von Deformationssensoren verwendet. Die binären Nanoparikel-Materialien sind aus Nanopartikeln zusammengesetzt, die den gleichen Partikelkern aber unterschiedliche molekulare Hüllen besitzen. Solche binären Nanoparikel-Materialien wurden durch Selbstorganisation von Nanopartikeln mit homogener oder heterogener Anordnung erzeugt. Für die beiden Nanopartikel-Materialien wurden unterschiedliche elektrische sowie elektromechanische Eigenschaften beobachtet. Es wird gezeigt, dass sowohl elektrische als auch elektromechanische Eigenschaften dieser binären Nanopartikel-Materialien leicht durch den Volumenanteil der beiden verwendeten Nanopartikelarten abstimmbar sind. Die Leitfähigkeiten von solchen binären Nanopartikel-Materialien kann innerhalb von fünf und die Empfindlichkeiten (Gauge-Faktor) von zwei Größenordnungen eingestellt werden. Die elektromechanischen Eigenschaften von diesen binären Nanopartikel-Materialien mit verschiedenen Anordnungen von Nanopartikeln zeigen auch unterschiedliche Abhängigkeiten vom Volumenanteil der Partikelarten. Die binären Nanopartikel-Materialien mit heterogener Anordnung erreichen die maximale Empfindlichkeit bei mittelgroßen Volumenanteilen hervorgerufen durch verstärkte lokale Deformationen die durch Aggregationen beruhen. Untersuchung des Elektronentransports sowie der Mikromorphologie in solchen binären Nanopartikel-Materialien ergaben unterschiedliche Transportmechanismen. Ein Modell basierend auf der Effektiven Medien Theorie (EMT) wurde eingesetzt, um die elektrischen sowie elektromechanischen Eigenschaften von solchen binären Nanopartikel-Materialien zu beschreiben. Es konnte eine große Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erzielt werden. Diese binären Nanopartikel-Materialien haben dank ihrer verschiedenen elektrischen sowie elektromechanischen Eigenschaften großes Potential für Anwendungen im Bereich der Deformationssensorik. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Chemikaliensensoren basierend auf Nanopartikel-Materialien hergestellt und untersucht. Unterschiedlich lange Moleküle mit Carbonsäuregruppen wurden zur Modifizierung der Nanopartikeln verwendet. Die Nanopartikel wurden auf Quartz-Substrate angebracht, um Nanopartikel-Streife als Messelement zu bilden. Es ist nachgewiesen, dass unterschiedlich lange Moleküle verschiedene Tunnel-Barrieren für den Ladungstransport in der Nanopartikel-Streife bilden. Die Änderung der Leitfähigkeit von diesen Chemikalien-Sensoren in Abhängigkeit von chelatbildenden Ionen wurde untersucht. Es wurde beobachtet, dass diese Nanopartikel-Sensoren eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität gegen Hg2+ - Ionen aufweisen. Es ist auch aufgefallen, dass die Empfindlichkeit dieser Chemikalien-Sensoren von der Länge der zur Oberflächemodifizierung eingesetzten Moleküle abhängt. Von diesen zeigte der Chemikalien-Sensor bestehend aus Nanopartikel modifiziert mit 11-Mercaptoundekansäure (MUA) die höchste Empfindlichkeit. Durch Untersuchung des Ladungstransport und der morphologische Änderung in den Nanopartikel-Streifen wurde die Ursache der Moleküllängenabhängigen Empfindlichkeit aufgeklärt. Da Sensoren basierend auf Nanopartikel meistens unter Raumtemperatur oder sogar in Flüssigkeit eingesetzt werden, ist die Feuchtigkeit immer problematisch, da sie die elektrischen Eigenschaften der Sensoren durch ein Zusammenspiel von Wassermolekülen und Nanopartikel-Materialien beeinflussen können. Im dritten Teil der Arbeit wurde der Einfluss der Feuchtigkeit auf elektronische Reaktion der Nanopartikel-Materialien erforscht. Dazu wurden mehrschichtige und einschichtige Gold-Nanopartikel (AuNP)-Streifen mit verschiedenen dominierenden Ladungstranport-Mechanismen hergestellt. Es wurde gefunden, dass die feuchtigkeitsabhängige Leitfähigkeit mit der Morphologie und dem Elektronentransport in den Gold-Nanopartikel Streifen korreliert war. Wegen der unterschiedlichen Anordnungen in Gold-Nanopartikel und dem daraus folgenden dominierenden Ladungstransport-Mechanismus reagierten die mehrschichtigen und einschichtigen Gold-Nanopartikel Streifen unterschiedlich auf Feuchtigkeitsänderung. Diese Arbeit hat mögliche Transport- und Deformationsmechanismen nachgewiesen, die zur Verbesserung der Beschreibung und zur Entwicklung hochleistungsfähiger Nanopartikel-Sensoren beitragen können.

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