Gasdetektion auf der Basis thermischer Emissionsströme von Festkörperoberflächen

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wird der Mechanismus der thermischen Elektronenemission als Methode zur Gasdetektion an Raumluft untersucht. Die dabei entscheidende Material-Austrittsarbeit ist eine oberflächensensitive Größe, die durch Verunreinigung oder Gasadsorption moduliert wird. Der thermische Elektronen-Emissionsstrom ist dabei exponentiell von der Austrittsarbeit beeinflußt, so daß bereits geringe Austrittsarbeitsänderungen eine merkliche Stromänderung hervorrufen. Damit stellt der Emissionsstrom eine sensitive Meßgröße zur Erfassung der Oberflächenkonfiguration dar. Die vorliegende Arbeit untersucht anhand emittierender Proben, die anschließend mit einer Vielzahl von Gasen beaufschlagt werden, ob eine Gasdetektion auf Basis der thermischen Emission an Raumluft möglich ist.

Nach dem Aufbau einer speziellen Meßmimik die es erlaubt, Ströme oberhalb von 100 fA definiert nachzuweisen, werden auf Basis der Oxide des Bariums, des Scandiums und des Cer sowie aus Mischungen von Barium- und Scandium-Oxid selbstbeheizte Proben präpariert. Sie zeigen im Temperaturbereich zwischen 500 und 1050 Grad Celsius einen stabilen negativen Emissionsstrom.

Mit einer Gasmischeinheit, die die definierte Proben-Beaufschlagung mit relevanten Gasen (Wasserstoff, Propan, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid etc.) erlaubt, werden die emittierenden Schichten hinsichtlich ihrer gassensitiven Eigenschaften charakterisiert. Es zeigt sich, daß der negative Emissionssstrom bei Gasangeboten im ppm Bereich materialspezifisch um Größenordnungen schwanken kann und die Gas-Schicht Wechselwirkung meist reversibel erfolgt. Diese Wechselwirkung ist materialspezifisch noch durch die Oberflächentemperatur moduliert. Aufgrund der Meßergebnisse kann gezeigt werden, daß die thermische Elektronen-Emission prinzipiell zur Gasdetektion geeignet ist.

Desweiteren wird die Emission positiv geladener Teilchen von den präparierten Probenoberflächen bei Temperaturen über 500 Grad Celsius an Raumluft untersucht. Die nach SIMS Analysen wahrscheinlich durch Alkali-Ionen verursachten Ladungsträger zeigen im Gegensatz zu den negativen thermischen Emissionsströmen keine Stabilität in der Zeit. Eine starkes Ansprechen auf die angebotenen Gase wird nicht festgestellt.

Versuche mit der Kelvin-Schwinger Methode als weitere Methode zum Nachweis gasinduzierter Austrittsarbeitsänderungen an Raumluft zeigen bei Meßtemperaturen über 500 Grad Celsius gasinduzierte Änderungen, die neben den chemischen Oberflächeneigenschaften der Probe noch wesentlich durch deren Oberflächentemperatur moduliert sind.