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- TitleSynthesis of metal oxide inverse opals and their applications in optical sensing / vorgelegt von Xuyang Zhang ; [Gutachter: Dr. Thorsten Wagner, Prof. Dr. Michael Tiemann]
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- Description1 Online-Ressource (X, 100 Seiten) : Diagramme
- Institutional NoteUniversität Paderborn, Dissertation, 2019
- AnnotationTag der Verteidigung: 14.11.2019
- Defended on2019-11-14
- LanguageEnglish
- Document TypesDissertation (PhD)
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Zusammenfassung
Metalloxid-Inversopale sind aufgrund ihrer geordneten makroporösen Strukturen für verschiedene Anwendungen interessant. In der vorliegenden Arbeit wird die kolloidalen Kristalltemplate zur Herstellung verschiedener Metalloxid-Inversopale einschließlich CeO2, Cr2O3, CuO, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, SnO2, TiO2, WO3 und ZnO eingesetzt. Unterschiedliche Arten von Präkursoren und Verarbeitungsbedingungen werden untersucht, um die jeweilige optische Reflektivität zu optimieren. Ein weiterer Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf der optischen Sensorik. Die Änderung des effektiven Brechungsindex von Metalloxid-Inversopale führt zu einer Verschiebung ihrer photonischen Bandlücke. In dieser Arbeit wird diese Verschiebung als optisches Sensorsignal zur Detektion von Flüssigkeiten und Wassertemperatur verwendet. Zusätzlich wird eine Reihe von WO3-Inversopale mit unterschiedlichen photonischen Bandlücken als optischer Wasserstoffsensor eingesetzt. Die optischen Response von WO3-Inversopale mit verschiedenen H2-Konzentrationen werden getestet, um die starke Brechungsindexdispersion von WO3 nach Reaktion mit H2 zu rekonstruieren. Das Ziel dieser Studie ist es, den physikalischen Ursprung der Brechungsindexänderung während der Gasmessung zu finden. Durch die Gewinnung der Erkenntnisse über den physikalischen Sensormechanismus werden die allgemeinen Regeln für das Design eines optischen Gassensors (auf Basis von Metalloxid-Inversopale) erschlossen.
Abstract
Metal oxide inverse opals that exhibit three-dimensionally ordered macroporous structures are interesting for various applications. The conventional synthesis route of metal oxide inverse opals is based on structure replication following a colloidal crystal templating process. In the present work, the successful utilization of colloidal crystal templating method to fabricate various metal oxide inverse opals including CeO2, Cr2O3, CuO, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, SnO2, TiO2, WO3 and ZnO is reported. Different types of precursors and processing conditions are investigated to optimize their optical reflectance. Another part of this work focus on the optical sensing based on the synthesized WO3 inverse opals. Change of effective refractive index of WO3 inverse opals will cause a shift of their reflection peak position. In this thesis, this shift is evaluated as an optical sensor signal to detect fluids and water temperature. In addition, a series of WO3 inverse opals with different photonic band gap positions are used as optical H2 sensor. The optical responses (H2 induced reflection peak shift) of different WO3 inverse opals are examined to reconstruct the strong refractive index dispersion of WO3 after H2 exposure. This study aimed to find the physical origin of the refractive index change during gas sensing. Then, by gaining the insights into the physical sensing mechanisms, the general rules of the design of optical gas sensor based on metal oxide inverse opals are concluded.
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