Tungsten trioxide nanocrystalline films for applications in gas sensors

Abstract

En esta investigación, películas de nanopartículas de W'O, fueron producidas para aplicaciones como sensores de gas. mediante el uso de una avanzada unidad de deposición reactiva de gas. La misma unidad fue también utilizada para activar películas de WO, mediante la adición de diferentes nanopartículas metálicas. Las propiedades, estructural y de sensor de gas. de ambas películas de WO, puras y activadas, fueron investigadas. Difracción de Rayos-X. TEM. SEM. EDS. AFM. XPS y espectroscopia Raman se utilizaron para caracterizar la estructura de las películas. Las películas fabricadas tenían una estructura cristalina tetragonal consistiendo de nanopartículas sub-estequiométricas de WO, con 0.25 < x <0.4 y una microestructura muy porosa, con una densidad relativa de ~ 25 % en comparación con el WO,. El tamaño promedio de grano de las películas de WO producidas fueron de alrededor de 10 nm después de la deposición y de alrededor de 35 nm después de la sinterización a 600 0C. Las películas activadas (Au/Pd) están formadas de agregados de nanopartículas de WO, y Au/Pd ambas con estructura cristalina cúbica y un tamaño promedio de 4 nm. Después del tratamiento térmico, las películas activadas con Pd fueron oxidadas a PdO. Los efectos, tanto de la temperatura de sinterización como de la temperatura de operación de la conductancia eléctrica y propiedades como sensor de gas de las películas, fueron estudiados. Las películas de nanopartículas de WO, muestran un mínimo en la energía de activación térmica aproximadamente en 0.36 eV y son sensibles al H-S incluso a temperatura ambiente: también muestran sensibilidad a otros gases tales como NOx. CO. TE a temperaturas entre 150 °C y 350 °C. Las muestras basadas en películas de WO. activado exhiben alta sensibilidad y buen tiempo de respuesta a las exposiciones de TES. Películas activadas también han mejorado su respuesta cuando han sido expuestas al H y al CO a temperatura ambiente y efectos de memoria fueron mostrados cuando dos o más gases fueron evaluados simultáneamente. Las propiedades eléctricas de las películas activadas de WO, fueron también analizadas y el mecanismo de detección de gas fue discutido.

In this research. WO, nanoparticle films were produced for gas sensing applications by using aa advanced reactive gas deposition unit. The same unit was also used to activate WO, films with different metallic nanoparticle additives. The structural and gas-sensing properties of both pure and activated nanoparticle WO, films were investigated. X-ray diffraction. TEM. SEM. EDS. AFM. XPS. and Raman spectroscopy were used to characterize the structure of the films. The as-deposited films had a tetragonal crystal structure consisting of sub- stoichiometric WO-« nanoparticles with 0.25<x<0.4 and very porous microstructure, with a relative density of - 259c compared to bulk WO, The average grain size of the WO. films produced w as around 10 nm after deposition and around 35 run after sintering at 600 C. The activated (Au/Pdi films arc formed of aggregates of nanopanicles WO-. and Au / Pd both with cubic crystal structure and average size of 4 nm. After annealing, activated Pd films were oxidized to PdO and PdO;. The effects of both the sintering temperature and operation temperature on the electrical conductance and gas-sensing properties of the films were studied. WO; nanoparticle films show a minimum in the thermal activation energy about 0.36 eV and are sensitive to H-S even at room temperature, also show sensitivity to other target gases such as NOx. CO H at temperature between 150 C and 350 °C. The samples based on activated WO; films exhibited high sensitivity and good response-time characteristics at exposure to H-S. and activated films also had improved response when exposed to H: and CO at room-temperature operation and memory effects were shown when two or more gas are test at same time. The electrical properties of activated W'O, films were also analyzed and the gas-sensing mechanism was discussed.