AlGaN/GaN-basierte ionenselektive Feldeffekttransistoren zur pH-Wert-Messung in nichtwässrigen Lösungen

Die Bestimmung von pH-Werten in wässrigen Lösungen hat eine hohe Bedeutung in unserem Alltag. Weniger prominent ist die Messung von pH-Werten in nichtwässrigen Lösungen. Die Gründe hierfür liegen unter anderem in fehlenden stabilen und einfach zu handhabenden Messsonden. In der vorliegenden Arbeit wird das Anwendungspo- tential von AlGaN/GaN-basierten ionenselektiven Feldeffekttransistoren (pH-ISFET) zur pH-Wert-Messung in nichtwässrigen Lösungen untersucht. Für die Untersuchungen wurde zunächst eine ausführliche physikalisch-chemische Beschreibung der Oberfläche durchgeführt, mit der pH-Wert-induzierte Ladungs- und Potentialänderungen an der Sensoroberfläche numerisch berechnet werden konn- ten. Diese Simulationen ließen für unterschiedliche organische Lösungsmittel (Etha- nol, Dimethylsulfoxid, Acetonitril) und Wasser eine lösungsmittelspezifische pH- Wert-Sensitivität erwarten. Diese prognostizierte lösungsmittelspezifische pH-Wert- Sensitivität konnte anschliessend durch experimentelle Ergebnisse bestätigt werden. Für die notwendigen Messungen wurde speziell ein lösungsmittelresistenter Messauf- bau entwickelt. Weiterhin wurde die Möglichkeit von lösungsmittelübergreifenden pH-Wert-Messungen zu einer zentralen Fragestellung gemacht. Hierbei wurde insbesondere das Konzept einer vereinheitlichten bzw. absoluten pH-Skala für sämtliche Lösungsmittel aufge- griffen. Die untersuchten Messlösungen in unterschiedlichen Lösungsmitteln wurden daher so gewählt, dass ein direkter Vergleich auf einer absoluten pH-Skala erfolgen konnte. Es zeigte sich, dass die Messergebnisse im Rahmen der Messunsicherheit gut mit diesem Konzept vereinbar waren. Dabei muss berücksichtigt werden, dass dieses Konzept auf extrathermodynamischen Annahmen beruht. Gleichzeitig wurde die außerordentliche Stabilität von Sensor und Verkapselung in Acetonitrillösungen gezeigt, indem - sowohl im Sauren als auch im Basischen - extreme pH-Werte nach dem Konzept der absoluten pH-Skala eingestellt wurden, welche in Wasser nicht erreicht werden können. Darüber hinaus wurden anwendungsbezogene Messungen bezüglich Ansprechzeit, Langzeitstabilität und Mindestleitfähigkeit dieser Sensoren in organischen Lösungs- mitteln durchgeführt. In diesem Rahmen wurde ein überlegenes Verhalten gegenüber der Glaselektrode festgestellt, welche für den optimalen Gebrauch eine wässrige Glas- Quellschicht benötigt. Weiterhin wurde der Einfluss von möglichen Verunreinigungen auf das Sensorverhalten mit numerischen Simulationen verglichen und diskutiert. Es wurden weiterhin erste pH-Messungen in den zwei ionischen Flüssigkeiten [Hmim]Br und [Emim][BF4] durchgeführt. Die elektrochemische Doppelschicht in diesen Flüs- sigkeiten, welche ausschließlich aus Ionen bestehen, kann nicht mit den klassischen Modellen beschrieben werden. Es zeigte sich allerdings, dass hier trotzdem eine pH-Änderung gemessen werden kann.