Open Access

Benjamin Paschke

• In der Sensorik sind neben der Selektivität die Sensitivität sowie Schnelligkeit als eine der wichtigsten Eigenschaften eines spezifischen Gassensors gefordert. Insbesondere zur Detektion der kinetischen Diffusionswege von Testgasen in porösen Materialien sind schnelle Reaktionszeiten der Sensoren relevant. Mit solchen Analysen lassen sich die Aktivierungsenergien von Gasmolekülen im Einkristall bestimmen. Diesbezüglich konzentriert sich diese Arbeit im Wesentlichen auf die physikalische Entwicklung individueller Sensoren und einer speziellen Messapparatur. Weiterhin wird die Dünnfilmbeschichtung von akustischen Oberflächenwellen (SAW) Sensoren mit Metall-Organischen Gerüsten (MOFs) unterschiedlicher Porengrößen und deren sensitiven Eigenschaften optimiert. Daraus resultieren sehr empfindliche und spezifische Sensorsysteme zur Detektion verschiedener Gase in sehr kurzen Zeitabständen. Zur Gasdetektion werden auf dem sensitiven Bereich der Chipoberfläche von speziell entwickeltenIn der Sensorik sind neben der Selektivität die Sensitivität sowie Schnelligkeit als eine der wichtigsten Eigenschaften eines spezifischen Gassensors gefordert. Insbesondere zur Detektion der kinetischen Diffusionswege von Testgasen in porösen Materialien sind schnelle Reaktionszeiten der Sensoren relevant. Mit solchen Analysen lassen sich die Aktivierungsenergien von Gasmolekülen im Einkristall bestimmen. Diesbezüglich konzentriert sich diese Arbeit im Wesentlichen auf die physikalische Entwicklung individueller Sensoren und einer speziellen Messapparatur. Weiterhin wird die Dünnfilmbeschichtung von akustischen Oberflächenwellen (SAW) Sensoren mit Metall-Organischen Gerüsten (MOFs) unterschiedlicher Porengrößen und deren sensitiven Eigenschaften optimiert. Daraus resultieren sehr empfindliche und spezifische Sensorsysteme zur Detektion verschiedener Gase in sehr kurzen Zeitabständen. Zur Gasdetektion werden auf dem sensitiven Bereich der Chipoberfläche von speziell entwickelten SAW-Verzögerungsleitungen kubische MOF-Kristalle mit einer Kantenlänge von bis zu 200 nm direkt aus einer Lösung gezüchtet. Das Gerüst MFU-4, als Beispiel, besitzt eine kleinste Porenöffnung von 2,5 Å und signalisiert ein hochempfindliches und spezifisches Ansprechverhalten auf H2, He, N2, O2, CO2, C2H4 und H2O. Durch die Diffusionsanalyse an einzelnen Kristallen spricht ein solcher MOF-SAW-Sensor innerhalb von Millisekunden auf die Gasbeladung an und seine Empfindlichkeit erreicht bis zu 1 ppmv. Diese einzigartige Kombination von Empfindlichkeit und schneller Ansprechcharakteristik erlaubt Echtzeit-Untersuchungen der Sorptionskinetik während der Gasadsorption und -desorption in den Kristallen, woraus sich unterschiedliche Sensoranwendungen entwickeln lassen. Eigenschaften wie einstellbare Porengrößen und einstellbare interne Oberflächeneigenschaften machen MOFs überdies für temperaturabhängiges Quanten-Sieben zur Isotopentrennung interessant. Weiterhin lassen sich MOFs als geeignete Container zur Aufnahme von Fremdstoffen aktivieren und durch unterschiedliche Methoden mit mikrofluidischen Kanälen für spezifische Anwendungen separieren.…