Wpływ wygrzewania na właściwości sensorowe powłok TiOx wytworzonych metodą rozpylania magnetronowego

• Autorzy: Kapuścik Paulina , Mańkowska Ewa , Wojcieszak Damian

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0016.2780

Warianty tytułu

EN

Influence of annealing temperature on sensing properties of TiOx thin films prepared by magnetron sputtering

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu temperatury wygrzewania na właściwości optyczne, a także morfologii powierzchni cienkich warstw niestechiometrycznych tlenków tytanu (TiO x). Zostały one powiązane z wynikami badań odpowiedzi sensorowej warstw na obecność H₂. Próbki wytworzono metodą rozpylania magnetronowego w atmosferze Ar:O₂ o małej zawartości tlenu (20% oraz 30%). im większa była ilość tlenu w mieszaninie gazowej podawanej do komory próżniowej, tym niższa szybkość osadzania powłok. Badania wykonane za pomocą profilometru optycznego wykazały, że grubość obu serii naniesionych warstw wynosiła odpowiednio 600 nm i 200 nm. Powłoki te następnie wygrzewano w powietrzu w temperaturze od 100°C do 800°C. w ramach badań określono również ich chropowatość. aby ocenić właściwości optyczne powłok, zmierzone zostały charakterystyki transmisji oraz odbicia światła, na podstawie których wyznaczono takie parametry jak współczynnik transmisji, położenie krawędzi optycznej absorpcji oraz szerokość optycznej przerwy energetycznej w funkcji temperatury wygrzewania warstw. Z kolei właściwości sensorowe powłok określono na podstawie zmian rezystancji w odpowiedzi na pobudzenie w postaci mieszaniny Ar:3,5%H₂. Stwierdzono, że stopień utlenienia warstw ma kluczowy wpływ nie tylko na szybkość odpowiedzi warstwy TiOx, lecz także na sam charakter tej odpowiedzi.

EN

This work describes the influence of the annealing temperature on the optical and surface properties of nonstoichiometric titanium oxide (TiOx ) thin films. The results were related to the investigation of the sensing response toward H₂ gas. The samples were prepared by the magnetron sputtering method using Ar:O₂ plasma with low oxygen content (20% and 30%). an increase in the amount of oxygen in the gas mixture supplied to the magnetron led to a decrease in the deposition rate. The thickness of the deposited thin films, determined by the use of an optical profiler, was found to be 600 nm and 200 nm, respectively. The coatings were then annealed in an ambient air atmosphere at a temperature in the range from 100°C to 800°C. additionally, the roughness of the coating surface was measured. To investigate the optical properties of the thin films, transmission and reflection spectra were measured, and parameters such as transmission coefficient, cutoff wavelength value, and optical band gap value were determined as functions of the annealing temperature. The sensing properties of the thin films were characterised on the basis of changes in a resistance value as a response to a mix of Ar:3.5% H₂. it was found that the oxidation of the thin films has a key influence not only on the response time of the TiOx thin films, but also on the character of the response.

Słowa kluczowe

PL

inżynieria materiałowa; tlenek tytanu; cienka warstwa; rozpylanie magnetronowe; właściwości optyczne; właściwości sensorowe

EN

materials engineering; titanium oxide; thin films; magnetron sputtering; optical properties; gas sensing properties

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 71, nr 2
• Strony: 27--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kapuścik Paulina

• studentka, Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, ul. C.K. Norwida 4/6, 50-373 Wrocław

autor

Mańkowska Ewa

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0003-3635-6634

autor

Wojcieszak Damian

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0001-6831-4477

Bibliografia

• [1] Ramanavicius S., Ramanavicius A., Insights in the application of stoichiometric and non-stoichiometric titanium oxides for the design of sensors for the determination of gases and VOCs (TiO2-x and TinO2n-1 vs. TiO2), Sensors (Switzerland), 20, 23, 2020, 1-18, DOI: 10.3390/s20236833.
• [2] Zapata-Torres M., Hernández-Rodríguez E., Mis-Fernandez R. et al., Visible and infrared photocatalytic activity of TiOx thin films prepared by reactive sputtering, Materials Science in Semiconductor Processing, 40, 2015, 720-726, DOI: 10.1016/j.mssp.2015.07.072.
• [3] Reddy Y.A.K., Kang I.K., Shin Y.B., Lee H.C., Reddy P.S., Oxygen partial pressure and thermal annealing dependent properties of RF magnetron sputtered TiO 2-x films, Materials Science in Semiconductor Processing, 32, 2015, 107-116, DOI: 10.1016/j.mssp.2014.12.080.
• [4] Villarroel R., Espinoza-González R., Lisoni J., González-Moraga G., Influence of the oxygen consumption on the crystalline structure of titanium oxides thin films prepared by DC reactive magnetron sputtering, Vacuum, 154, 2018, 52-57, DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.04.049.
• [5] Mao Q., Liu M., Li Y., Wei Y., Yang Y., Huang Z., Black TiOx films with photothermal-assisted photocatalytic activity prepared by reactive sputtering, Materials, 14, 10, 2021, DOI: 10.3390/ma14102508.
• [6] Barros H.W.S., Duarte D.A., Sagás J.C., Optical and electrical properties of Ti suboxides grown by reactive grid-assisted magnetron sputtering, Thin Solid Films, 696, 2020, DOI: 10.1016/j.tsf.2019.137762.
• [7] Mohamed S.H., Kappertz O., Leervad Pedersen T.P., Drese R., Wuttig M., Properties of TiOx coatings prepared by DC magnetron sputtering, Physica Status Solidi (A) Applied Research, 198, 1, 2003, 224-237, DOI: 10.1002/pssa.200306597.
• [8] Henning R.A., Leichtweiss T., Dorow-Gerspach D. et al., Phase formation and stability in TiOx and ZrOx thin films: Extremely sub-stoichiometric functional oxides for electrical and TCO applications, Zeitschrift fur Kristallographie - Crystalline Materials, 232, 1-3, 2017, 161-183, DOI: 10.1515/zkri-2016-1981.
• [9] Dorow-Gerspach D., Wuttig M., Metal-like conductivity in undoped TiO2-x: Understanding an unconventional transparent conducting oxide, Thin Solid Films, 669, 2019, 1-7, DOI: 10.1016/j.tsf.2018.10.026.
• [10] Chen G.S., Lee C.C., Niu H., Huang W., Jann R., Schütte T., Sputter deposition of titanium monoxide and dioxide thin films with controlled properties using optical emission spectroscopy, Thin Solid Films, 516, 23, 2008, 8473-8478, DOI: 10.1016/j.tsf.2008.04.093.
• [11] Hasan M.M., Haseeb A.S.M.A., Saidur R., Masjuki H.H., Effects of Annealing Treatment on Optical Properties of Anatase TiO 2 Thin Films, World Journal of Nuclear Science and Technology, 40, 2009, 221-225.
• [12] Ben Amor S., Guedri L., Baud G., Jacquet M., Ghedira M., Influence of the temperature on the properties of sputtered titanium oxide films, Materials Chemistry and Physics, 77, 2002, 903-911, DOI: 10.1016/S0254-0584(02)00189-X.
• [13] Karunagaran B., Kim K., Mangalaraj D., Yi J., Velumani S., Structural, optical and Raman scattering studies on DC magnetron sputtered titanium dioxide thin films, Solar Energy Materials and Solar Cells, 88, 2, 2005, 199-208, DOI: 10.1016/j.solmat.2004.03.008.
• [14] Huang J.H., Wong M.S., Structures and properties of titania thin films annealed under different atmosphere, Thin Solid Films, 520, 5, 2011, 1379-1384. DOi: 10.1016/j.tsf.2011.08.094.
• [15] Nair P.B., Justinvictor V.B., Daniel G.P. et al., Optical parameters induced by phase transformation in RF magnetron sputtered TiO2 nanostructured thin films, Progress in natural Science: Materials International, 24, 3, 2014, 218-225, DOI: 10.1016/j.pnsc.2014.05.010.
• [16] Leichtweiss T., Henning R.A., Koettgen J. et al., Amorphous and highly nonstoichiometric titania (TiOx) thin films close to metal-like conductivity, Journal of Materials Chemistry a, 2, 18, 2014, 6631-6640, DOI: 10.1039/c3ta14816e.
• [17] Radecka M., Zakrzewska K., Czternastek H., Stapiński T., Debrus S., The influence of thermal annealing on the structural, electrical and optical properties of TiO2-x thin films, applied Surface Science, 65-66, 1993, 227-234, DOI: 10.1016/0169-4332(93)90663-V.
• [18] Miller M.J., Wang J., Coupled effects of deposition and annealing temperatures on optical, electrical and mechanical properties of titanium oxide thin films, Vacuum, 120, 2015, 155-161, DOi: 10.1016/j.vacuum.2015.07.005.
• [19] Yao J., Shao J., He H., Fan Z., Optical and electrical properties of TiOx thin films deposited by electron beam evaporation, Vacuum, 81, 9, 2007, 1023-1028, DOI: 10.1016/j.vacuum.2006.11.002.
• [20] Mazur M., Analysis of the properties of functional titanium dioxide thin films deposited by pulsed DC magnetron sputtering with various O2: Ar ratios, Opt Mater (Amst), 69, 2017, 96-104, DOI: 10.1016/j.optmat.2017.04.021.
• [21] Mittireddi R.T., Patel N.M., Gautam A.R.S., Soppina V., Panda E., Non-stoichiometric amorphous TiOx as a highly reactive, transparent anti-viral surface coating, Journal of Alloys and Compounds, 881, 2021, DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160610.
• [22] Xu B., Sohn H.Y., Mohassab Y., Lan Y., Structures, preparation and applications of titanium suboxides, RSC Advances, 6, 83, 2016, 79706-79722, DOI: 10.1039/c6ra14507h.
• [23] Li Z., Yao Z., Haidry A.A. et al., Resistive-type hydrogen gas sensor based on TiO 2 : A review, International Journal of Hydrogen Energy, 43, 45, 2018, 21114-21132, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.051.

Uwagi

1. Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).

2. Praca była współfinansowana przy udziale środków z projektu Sonata UMO-2020/39/D/ST5/00424 przyznanych na lata 2021-2024 przez Narodowe Centrum Nauki. Artykuł opracowany na podstawie referatu wygłoszonego na XXXVI Konferencji Elektroniki, Telekomunikacji i Energetyki Studentów i Młodych Naukowców SECON 2022 - zorganizowanej przez Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie w dniach 26-27 kwietnia 2022 r.