Zpět
Tailoring Microstructure and Composition of Composite CuO/WO3 Nanoparticle-Based Thin Films for Enhanced H2 Gas Sensing
| Citace: |
SHAJI, K.; HAVIAR, S.; ZEMAN, P.; PROCHÁZKA, M.; ČERSTVÝ, R.; ČAPEK, J. Tailoring Microstructure and Composition of Composite CuO/WO3 Nanoparticle-Based Thin Films for Enhanced H2 Gas Sensing. 2025.
|
|---|---|
| Druh: | DALŠÍ AKTIVITY |
| Jazyk publikace: | eng |
| Anglický název: | Tailoring Microstructure and Composition of Composite CuO/WO3 Nanoparticle-Based Thin Films for Enhanced H2 Gas Sensing |
| Rok vydání: | 2025 |
| Autoři: | Kalyani Shaji MSc. , doc. RNDr. Stanislav Haviar Ph.D. , prof. Ing. Petr Zeman Ph.D. , Ing. Michal Procházka Ph.D. , Ing. Radomír Čerstvý Ph.D. , doc. Ing. Jiří Čapek Ph.D. |
| Abstrakt CZ: | Konduktometrické plynové senzory fungují na principu modulace elektrické vodivosti snímaného materiálu prostřednictvím adsorpčně-desorpčních reakcí mezi detekovaným plynem a povrchem senzoru. Polovodiče na bázi kovových oxidů (MOS) jsou konduktometrické materiály vysoce citlivé na oxidační a redukční plyny. Kromě toho mohou kompozitní materiály na bázi MOS dále těžit z vytvořených heteropřechodů, které potenciálně významně zlepšují citlivost. Naším cílem je vyvinout pokročilé materiály pro detekci plynného vodíku složené ze směsi nanočástic (NP) CuO typu p a nanočástic WO3 typu n s optimalizovanou mikrostrukturou vrstvy a objemovým poměrem nanočástic CuO k WO3 ve vrstvě pro vylepšenou detekci plynného vodíku. Tenké vrstvy na bázi NP byly syntetizovány za použití plynového agregačního zdroje založeného na magnetronovém naprašování v plynné směsi Ar+O2. Nejprve byl studován vliv tepelného žíhání na mikrostrukturu vrstev, protože materiály citlivé na plyn jsou obvykle provozovány při zvýšených teplotách (až do 400 °C). Vzorky CuO, WO3 a jejich kompozitu (objemový poměr 1:1) byly žíhány při teplotách v rozmezí 200?400 °C v syntetickém vzduchu a následně důkladně zkoumány pomocí různých charakterizačních technik, jako je SEM, XRD, XPS a Ramanova spektroskopie. V případě materiálu na bázi CuO byly pozorovány významné změny velikosti částic, zatímco materiály na bázi WO3 a kompozity vykazovaly jen drobné mikrostrukturální změny, a to i při zvýšených teplotách. Je pozoruhodné, že při 400 °C kompozit krystalizoval do nové fáze. Za druhé, objemový poměr NP CuO k NP WO3 ve vrstvách byl optimalizován pro maximalizaci odezvy materiálu. Ukazujeme, že synergického efektu je dosaženo, když je v materiálu vytvořen optimální počet heteropřechodů p?n, což poskytuje lepší odezvu kompozitní vrstvy ve srovnání s vrstvami tvořenými nanočásticemi z jednoho materiálu. Tato studie zdůrazňuje klíčovou roli tepelného zpracování v ovlivňování mikrostruktury nanočástic a nabízí poznatky o stabilizaci a ladění tenkých vrstev na bázi nanočástic pro vylepšenou detekci plynů. Optimalizovaný poměr nanočástic CuO a WO3 v kompozitu navíc zlepšil detekci H2 podporou optimální tvorby heteropřechodu p-n, což dokazuje, že přesná kontrola složení může významně zvýšit citlivost nanostrukturních systémů. |
| Abstrakt EN: | The conductometric gas sensors operate by modulating the electrical conductivity of the sensing material through adsorption-desorption reactions between the target gas and the sensor surface. Metal oxide semiconductors (MOS) are conductometric materials highly sensitive to oxidizing and reducing gases. In addition, composite MOS-based materials may further benefit from formed heterojunctions potentially significantly improving the sensitivity. Our focus is to develop advanced hydrogen-gas sensing materials composed of a mixture of p-type CuO and n-type WO3 nanoparticles (NPs) with optimized microstructure of the film and volumetric ratio of CuO to WO3 NPs in the film for enhanced H2 gas sensing. The NP-based thin films were synthesized using a magnetron-based gas aggregation source in Ar+O2 gas mixture. First, effect of thermal annealing on the microstructure (i.e., NPs diameter, formed necks, porosity) of the films was studied since gas sensing materials are usually operated at elevated temperatures (up to 400 °C). The CuO, WO3 and their composite (1:1 volumetric ratio) samples were annealed at temperatures in the range 200?400 °C in synthetic air and subsequently thoroughly investigated using various characterisation techniques such as SEM, XRD, XPS, and Raman spectroscopy. Significant changes in particle size were observed in the case of CuO-based material, while WO3-based and composite materials exhibited minor microstructural changes, even at elevated temperatures. Notably, at 400 °C, the composite crystallized into a novel phase. Second, the volumetric ratio of CuO to WO3 NPs in the films was optimized to maximize the response of the material. We demonstrate that a synergetic effect is reached when an optimum number of p?n heterojunctions is established in the material providing enhanced response of the composite film compared to the films formed by single-material NPs. This study highlights the crucial role of thermal treatment in influencing NP microstructure, offering insights into stabilizing and tuning NP-based thin films for enhanced gas sensing. Additionally, the optimized ratio of CuO and WO3 NPs within the composite improved H2 sensing performance by promoting optimal p?n heterojunction formation, demonstrating that precise compositional control can significantly boost the sensitivity of nanostructured systems. |
| Klíčová slova |
Zpět