Zpět
Tailoring Microstructure and Composition of Composite CuO/WO3 Nanoparticle-Based Thin Films for Enhanced H2 Gas Sensing
| Citace: |
ČAPEK, J.; SHAJI, K.; HAVIAR, S.; ZEMAN, P.; PROCHÁZKA, M.; ČERSTVÝ, R. Tailoring Microstructure and Composition of Composite CuO/WO3 Nanoparticle-Based Thin Films for Enhanced H2 Gas Sensing. Montreal, Kanada, 2025.247th ECS Meeting.
|
|---|---|
| Druh: | PŘEDNÁŠKA, POSTER |
| 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 |
| Místo konání: | Montreal, Kanada |
| 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. |
| Abstrakt CZ: | Konduktometrické senzory plynu fungují na základě modulace elektrické vodivosti snímacího materiálu prostřednictvím adsorpčně-desorpčních reakcí mezi cílovým plynem a povrchem senzoru. Polovodiče na bázi oxidů kovů (MOS) jsou konduktometrické materiály vysoce citlivé na oxidační a redukční plyny. Kompozitní materiály na bázi MOS mohou navíc dále těžit z vytvořených heteropřechodů, které mohou potenciálně výrazně zlepšit citlivost. Zaměřujeme se na vývoj pokročilých materiálů pro detekci plynného vodíku složených ze směsi nanočástic (NČ) CuO typu p a WO3 typu n s optimalizovanou mikrostrukturou vrstvy a objemovým poměrem NČ CuO a WO3 ve vrstvě pro lepší detekci plynného vodíku. Tenké vrstvy na bázi NČ byly syntetizovány pomocí plynového agregačního zdroje založeného na magnetronovém naprašování ve směsi plynů Ar+O2. Nejprve byl studován vliv tepelného žíhání na mikrostrukturu (tj. průměr NČ, vytvořená hrdla, pórovitost) vrstev, protože materiály pro detekci plynů se obvykle používají při zvýšených teplotách (až 400 °C). Vzorky CuO, WO3 a jejich kompozit (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 výrazné změny velikosti částic, zatímco materiály na bázi WO3 a kompozitní materiály vykazovaly menší mikrostrukturní změny, a to i při zvýšených teplotách. Pozoruhodné je, že při teplotě 400 °C kompozit krystalizoval do nové fáze. Za druhé, objemový poměr CuO a WO3 NČ ve vrstvách byl optimalizován tak, aby se maximalizovala odezva materiálu. Prokázali jsme, že synergického efektu je dosaženo, když je v materiálu vytvořen optimální počet p-n heteropřechodů, které zajišťují lepší odezvu kompozitní vrstvy ve srovnání s vrstvami tvořenými nanočásticemi z jednoho materiálu. Tato studie zdůrazňuje klíčovou roli tepelného zpracování při ovlivňování mikrostruktury NČ a nabízí pohled na stabilizaci a ladění tenkých vrstev na bázi NČ pro lepší detekci plynu. Kromě toho optimalizovaný poměr NČ CuO a WO3 v kompozitu zlepšil výkonnost detekce H2 tím, že podpořil optimální tvorbu p-n heteropřechodu, což ukazuje, 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 characterization 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