Zpět
Thermally-induced microstructural evolution in nanoparticle-based CuO, WO3 and CuO-WO3 thin films for hydrogen gas sensing
| Citace: |
ČAPEK, J.; SHAJI, K.; HAVIAR, S.; ZEMAN, P.; PROCHÁZKA, M.; ČERSTVÝ, R.; KUMAR, N. Thermally-induced microstructural evolution in nanoparticle-based CuO, WO3 and CuO-WO3 thin films for hydrogen gas sensing. Antibes, Francie, 2025.Plasma Thin Film International Union Meeting (PLATHINIUM 2025).
|
|---|---|
| Druh: | PŘEDNÁŠKA, POSTER |
| Jazyk publikace: | eng |
| Anglický název: | Thermally-induced microstructural evolution in nanoparticle-based CuO, WO3 and CuO-WO3 thin films for hydrogen gas sensing |
| Rok vydání: | 2025 |
| Místo konání: | Antibes, Francie |
| Autoři: | doc. Ing. Jiří Čapek Ph.D. , 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. , Nirmal Kumar M.Sc. |
| Abstrakt CZ: | Cílem této práce je zlepšit konduktometrickou detekci plynů využitím nanostrukturování senzorického materiálu, čímž se zvýší interakce s cílovými plyny. Polovodiče z oxidů kovů (MOS) jsou vysoce citlivé na oxidační a redukční plyny, přičemž kompozitní systémy MOS dále těží z heteropřechodů, které zlepšují citlivost. Naším cílem je vyvinout pokročilé senzory vodíku pomocí kompozitních tenkých vrstev na bázi nanočástic p-CuO a n-WO? a studovat účinky žíhání na tyto vrstvy, abychom pochopili vliv tepelného zpracování na mikrostrukturu nanočástic a následně na senzorické vlastnosti plynů. Tenké vrstvy na bázi nanočástic CuO, WO? a jejich kompozit byly připraveny pomocí magnetronového agregačního zdroje nanočástic, přičemž kompozit sestával ze střídavých monovrstev nanočástic CuO a WO?. Vzorky byly žíhány při teplotách od 200 do 400 °C v syntetickém vzduchu, aby se pomocí charakterizačních technik, jako jsou XRD, SEM, XPS a Ramanova spektroskopie, prozkoumaly účinky žíhání na mikrostrukturu vrstev. U CuO vrstev byly pozorovány významné změny velikosti částic a krystalinity, zatímco vzorky WO? a kompozitní vzorky vykazovaly pomalejší vývoj mikrostruktury, a to i při zvýšených teplotách. Je pozoruhodné, že při teplotě 400 °C kompozit krystalizoval do nové fáze. Žíhané vzorky byly vyhodnoceny z hlediska jejich konduktometrických vlastností pro detekci H? pomocí čtyřbodového měřicího zařízení. Vliv žíhání na senzorické vlastnosti u připravených vrstev na bázi nanočástic však nebyl výrazný, pravděpodobně kvůli konkurenčním vlivům vyvíjejících se mikrostrukturálních vlastností. V samostatné studii jsme vyladili poměr CuO k WO?, abychom optimalizovali tvorbu nano p-n heteropřechodu v kompozitu, čímž se nám podařilo zvýšit odezvu na detekci plynu H?. Tato studie zdůrazňuje klíčovou roli tepelného zpracování při ovlivňování mikrostruktury NP a nabízí poznatky o stabilizaci a ladění tenkých vrstev na bázi NP pro vylepšení senzorických vlastností. Navíc optimalizovaný poměr CuO a WO? nanočástic v kompozitu zlepšil výkon detekce H? tím, že podpořil optimální tvorbu p-n heteropřechodů, což dokazuje, že přesná kontrola složení může výrazně zvýšit citlivost nanostrukturních systémů. Společně tyto poznatky poskytují pevný základ pro rozvoj senzorických technologií na bázi MOS v aplikacích vyžadujících vysokou citlivost a robustní odezvu. |
| Abstrakt EN: | This work aims to improve conductometric gas sensing by incorporating nanostructures into the sensing material, enhancing interaction with target gases. Metal oxide semiconductors (MOS) are highly sensitive to oxidizing and reducing gases, with composite MOS systems further benefiting from heterojunctions that improve sensitivity. Our focus is to develop advanced hydrogen gas sensors using composite nanoparticle-based thin films of p-CuO and n-WO?, and study the effects of annealing on these films, to understand the effect of heat treatment on nanoparticle (NP) microstructure and, consequently, gas sensing performance. The CuO, WO? NP-based thin films, and their composite were synthesized using a magnetron-based gas aggregation source, with the composite consisting of alternating monolayers (10 nm in diameter) of CuO and WO? NPs. Samples were annealed at temperatures from 200 to 400 °C in synthetic air to investigate the effects of annealing on their microstructure using extensive characterisation techniques such as XRD, SEM, XPS, and Raman spectroscopy. Significant changes in particle size and crystallinity were observed in CuO, while WO? and the composite samples exhibited slower microstructural evolution, even at elevated temperatures. Notably, at 400 °C, the composite crystallized into a novel phase and is being investigated via DFT simulations. The annealed samples were evaluated for their conductometric gas sensing properties towards H? using an in-house built four-point probe measurement setup. The impact of annealing on gas sensing performance of the prepared NP-based films was however not pronounced, likely due to the competing influences of evolving microstructural features. Additionally, in a separate study, we tuned the CuO to WO? ratio to optimize nano p-n heterojunction formation within the composite, successfully enhancing the H? gas sensing response. 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 WO? NPs within the composite improved H? sensing performance by promoting optimal p-n heterojunction formation, demonstrating that precise compositional control can significantly boost the sensitivity of nanostructured systems. Together, these findings provide a strong foundation for advancing MOS-based sensor technologies in applications demanding high sensitivity and robust response. |
| Klíčová slova |
Zpět