Dokument: Preparation and Characterization of Plasma Electrolytically Oxidized Titanium and its Application in Oxygen Sensing
| Titel: | Preparation and Characterization of Plasma Electrolytically Oxidized Titanium and its Application in Oxygen Sensing | |||||||
| Weiterer Titel: | Präparation und Charakterisierung von Plasma Elektrolytisch Oxidierten Titan und seine Anwendung in der Sauerstoffsensorik | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=57047 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20210803-112234-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Engelkamp, Bernd [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Schierbaum, Klaus [Gutachter] Prof. Dr. Getzlaff, Mathias [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | titanium dioxide, titania, TiO2, Plasma Electrolytic Oxidation, PEO, anatase, rutile, Pt/TiO2, oxygen gas sensor | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf elektrochemisch oxidiertem Titan und seinem Potenzial als Ausgangsmaterial für die Sauerstoff-Sensorik. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die angewandte Präparationsmethode, die als Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) bekannt ist. Oxidschichten, die durch PEO gebildet werden, weisen außergewöhnliche Eigenschaften auf. Die Schichtdicke übertrifft die der konventionellen Anodisation bei weitem und zeichnet sich durch eine hohe Porosität aus, die jedoch mit einer guten Haftung auf dem Substrat einhergeht. Aufgrund der induzierten Temperatur bei charakteristischen Plasma-Entladungen weist das Material eine ausgeprägte TiO2-Kristallinität auf.
Das erste Kapitel gibt einen Überblick über die wichtigsten in dieser Arbeit verwendeten Materialien, wobei der Schwerpunkt auf TiO2 liegt. Ausgehend von der natürlichen Passivierung von Titan in Luft oder neutralen Flüssigkeiten wird die technische Passivierung in elektrochemischen Zellen diskutiert. Dabei dient die konventionelle anodische Oxidation als Ausgangspunkt für die umfangreiche Beschreibung von PEO. Ein wichtiger Parameter des Verfahrens ist die Zusammensetzung des Elektrolyten. Dieser Aspekt wird in der ersten Veröffentlichung behandelt, indem der Einfluss unterschiedlicher Schwefelsäurekonzentrationen auf die Oxidbildung während einer galvanostatischen PEO untersucht wird. Durch eine umfassende Charakterisierung der Schichten kann ein empirischer Zusammenhang zwischen der eingesetzten Elektrolytkonzentration und der vorherrschenden polymorphen Phase ermittelt werden. Entscheidend für die Ausbildung der kristallinen und porösen Struktur sind die Plasma-Entladungen und deren räumliche sowie zeitliche Verteilung. In der zweiten Veröffentlichung wird die Untersuchung erweitert und es zeigt sich, dass die Art des Elektrolyten einen noch wesentlichen Einfluss auf das Auftreten von Entladungen haben kann. Geringe Zusätze von Phosphorsäure zu Schwefelsäure unterdrücken die Entladungen drastisch. Es wird angenommen, dass der Ladungsausgleich in Gegenwart von Phosphorspezies bevorzugt über Ionenwanderung erfolgt. Die große Oberfläche und die halbleitenden Eigenschaften des hergestellten Oxids weisen auf seine Eignung als Sensormaterial für die Gas-Sensorik hin. Während sich das Material für reduzierende Gase wie Wasserstoff bewährt hat, wurde sein Potenzial für die Sauerstoffsensorik noch nicht untersucht. Daher befasst sich das dritte Kapitel mit der relevanten Wechselwirkung des Oxids mit gasförmigem Sauerstoff und stellt experimentelle Ergebnisse im Rahmen der dritten Veröffentlichung vor. Der verwendete Sensoraufbau besteht im Wesentlichen aus dem Titanoxid und durch Sputtern aufgetragenes Platin. Der elektrische Widerstand an dem resultierenden Metall-Halbleiter-Übergang ist sehr empfindlich gegenüber dem Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung. Bei atmosphärischen Gaskonzentrationen befindet sich der Übergang jedoch in einem Zustand der Sättigung. Die Untersuchung zeigt, dass die relative Feuchtigkeit diesen Effekt bei moderaten Temperaturen abschwächt. Die Ergebnisse wurden auf konkurrierende Adsorptionsprozesse und Reaktionen von Wasser mit adsorbierten Sauerstoffspezies und/oder Gittersauerstoff zurückgeführt, die eine Elektroneninjektion in das TiO2-Leitungsband beinhalten. Die Studie deutet einen komfortablen Weg an, um oxidierende Gase unter bestimmten Bedingungen auf der Grundlage von plasmaelektrolytisch oxidiertem Titan nachzuweisen.The focus of the present thesis is on electrochemically oxidized titanium and its potential as basic material for oxygen sensing. Central to this work is the employed preparation method, widely known as Plasma Electrolytic Oxidation (PEO). Oxide layers formed by PEO exhibit exceptional properties. The layer thickness exceeds that from conventional anodization by far and is characterized by a high porosity, which is still matched by a good adhesion to the substrate. Due to the induced temperature during characteristic breakdowns, the material exhibits a pronounced TiO2 crystallinity. The thesis starts with a brief introduction to contextualize the scientific work. The first chapter reviews the main materials used in this research with the focus on TiO2. The core of this thesis consists of three peer-reviewed publications. Before presenting the first publication, the formation of titanium oxide is described in detail. Starting from the natural passivation of titanium in air or neutral liquids, the technical passivation in electrochemical cells is discussed. Hereby, the conventional anodic oxidation serves as the starting point for the extensive description of PEO. An important parameter in the process is the electrolyte composition. This aspect is addressed in the first publication by investigating the impact of different sulphuric acid concentrations on the oxide formation during a galvanostatic PEO. By a comprehensive characterization of the layers, an empirical relationship between the employed electrolyte concentration and the predominant polymorphic phase can be determined. Decisive for the formation of the crystalline and porous structure are the breakdowns and their spatial as well as temporal distribution. The second publication expands the investigation and it becomes evident that the type of electrolyte can have an even greater impact on the occurrence of breakdowns. Small additions of phosphoric acid to sulphuric acid drastically suppress breakdowns. It is assumed that the charge compensation in the presence of phosphor species proceed preferentially via ion migration. The large surface area and the semiconducting properties of the manufactured oxide indicate its suitability as a sensor material for gas detection. While the material has been proved to function for reducing gases such as hydrogen, its potential for oxygen sensing has not yet been investigated. Therefore, the third chapter addresses the relevant interaction of the oxide with gaseous oxygen and presents experimental results within the last publication. The employed sensor setup consists basically of the titanium oxide and sputter-deposited platinum. The electrical resistance across the resulting metal-semiconductor junction is highly sensitive to the ambient oxygen partial pressure. However, at atmospheric gas concentrations the junction is in a state of oxygen saturation. The investigation reveals that ambient humidity attenuates this effect at moderate temperatures. The findings were attributed to competing adsorption processes and reactions of water with adsorbed oxygen species and/or lattice oxygen, which involve electron injection to the TiO2 conduction band. Overall, the study indicates a feasible way to detect oxidizing gases at certain conditions based on plasma electrolytically oxidized titanium. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Physik der kondensierten Materie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 03.08.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 03.08.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 07.06.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 28.07.2021 |
