Untersuchung der sauerstoffinduzierten Quenchingmechanismen zinkbasierter Luminophore
Creators: name: Poeplau, Michael
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2021

description: Lumineszenzbasierte Sauerstoffsensoren zeichnen sich durch eine außerordentliche Sensitivität und Selektivität aus. Als sauerstoffsensitive Verbindungen werden üblicherweise metallorganische Komplexe verwendet, welche optisch zur Lumineszenz angeregt werden. Auch wenn die metallorganischen Komplexe aufgrund der intensiven anregenden Strahlung zur Photodegradation neigen, ermöglicht die Auswertung der abklingenden Lumineszenz eine nahezu alterungsunabhängige Bestimmung der Sauerstoffkonzentration. Dies ist auf den monomolekularen Rekombinationsmechanismus zurückzuführen, welcher für abgestimmte Kombinationen des Komplexes gilt. Aufgrund des Alterungsverhaltens werden die metallorganischen Luminophore jedoch nur für diskontinuierliche Messaufgaben eingesetzt. Um die prinzipbedingten Vorteile der lumineszenzbasierten Gassensorik für kontinuierliche Messaufgaben zu nutzen, werden seit ca. 20 Jahren (Stand 2021) auch Metalloxide als photostabile Alternative untersucht, deren gassensitiven Eigenschaften aus der leitwertbasierten Sensorik bekannt sind. Das Rekombinationsverhalten dieser Verbindungen ist jedoch komplexer und kann bimolekular erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Modell basierend auf einem Zwei-Niveau-Systembeschrieben, welches den Einfluss von lokalisiert und delokalisiert vorliegenden Elektronen auf die Rekombinationsdynamik beschreibt. Zudem werden die Auswirkungen auf eine Anwendung als gassensitives Element diskutiert. Zur Verifikation dieses Modells werden Messungen an lumineszierendem Zinkoxid und mangandotiertem Zinksulfid vorgenommen. Die Detektion der Lumineszenz erfolgt dabei entweder zeitaufgelöst oder mittels der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung. Erstmals wird in dieser Dissertation der Einfluss von oberflächenadsorbierten Sauerstoffmolekülen auf die Abklingzeitkonstante von Zinkoxid nachgewiesen.
description: Luminescence-based oxygen sensors are characterized by an excellent sensitivity and selectivity. Organometallic complexes, which are optically excited, are commonly used as an oxygen-sensitive element. Even though the organometallic complexes are prone to photodegradation, due to the intensive excitation, the evaluation of the decaying luminescence allows an almost age-independent determination of the oxygen concentration. This is related to the monomolecular recombination mechanism, which is attributed to the used complex. However, due to the aging behavior, the luminophores are only used for discontinuous measurement tasks. In order to use the principle-based advantages of luminescence-based gas sensing for continuous measurement tasks, metal oxides have also been investigated for about 20 years (State 2021) as a photostable alternative, as their gas-sensitive properties are known from conductance-based sensing. However, the recombination behavior of these compounds is more complex and can include also bimolecular recombination mechanisms. In this work, a simple model based on a two-level system is discribed, which shows the recombination dynamics of localized and delocalized electrons and the impact on the use as a gas-sensitive element. To verify this model, measurements are made on luminescent zinc oxide and manganese-doped zinc sulfide. For these measurements, different measurement setups have been developed, which are adapted to the luminescence characteristics of these compounds. The detection of the luminescence signals is performed by time-resolved measurements or time-correlated single photon counting. For the first time, the results demonstrate the influence of surface adsorbed oxygen molecules on the decay time of zinc oxide and show that this can be used as a measurement parameter.