Wpływ wygrzewania na właściwości sensorowe cienkich warstw WO₃

• Autorzy: Kapuścik Paulina , Mazur Michał , Wojcieszak Damian

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.6365

Warianty tytułu

EN

Influence of annealing on gas sensing properties of WO₃ thin films

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Trójtlenek wolframu (WO₃) jest półprzewodnikiem o szerokiej optycznej przerwie energetycznej, do jego zalet należą wysoka stabilność chemiczna oraz niska cena. Ponadto ma właściwości chromogeniczne, czyli zdolność do zmian zabarwienia w odpowiedzi na różne bodźce, w tym temperaturę, promieniowanie świetlne, pole elektryczne oraz ekspozycję na wodór. Ze względu na wysoką wydajność barwienia i szybkie przełączanie cienkie warstwy WO₃ mogą być stosowane w lustrach antyodblaskowych i inteligentnych oknach, jak również w czujnikach gazów. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu wygrzewania na właściwości cienkich warstw WO₃ wytwarzanych metodą impulsowego rozpylania magnetronowego (GiMS) z warstwą palladu w roli katalizatora. Próbki były wygrzewane w temperaturach od 200 do 400°C. Odpowiedź sensorową powłok scharakteryzowano na podstawie pomiaru widm transmitancji podczas wprowadzania powietrza i mieszaniny H₂/Ar o stężeniu wodoru od 25 do 1000 ppm. Ponadto zbadano wpływ wygrzewania na strukturę oraz morfologię powłok. Wygrzewanie w temperaturze 400°C spowodowało zmianę struktury powłok z amorficznej na krystaliczną. Po wprowadzeniu mieszaniny H₂/Ar zaobserwowano spadek transmitancji dla wszystkich próbek. Dla warstw wygrzewanych w temperaturze 200°C i 300°C wartość transmitancji spadała podczas całego cyklu barwienia, natomiast w przypadku warstw wygrzewanych w 400°C nasycenie sygnału osiągnięto po 7 minutach. Stwierdzono, że najlepszymi właściwościami sensorowymi charakteryzują się powłoki wygrzewane w temperaturze 400°C, ze względu na wysokie wartości odpowiedzi sensorowej dla bardzo małego stężenia wodoru (SR = 6,3 dla 25 ppm H₂) oraz krótki czas odpowiedzi i powrotu.

EN

Tungsten trioxide (WO₃) is a wide-bandgap semiconductor. its advantages include high chemical stability and low price. Furthermore, WO₃ has chromogenic properties, that is, the ability to switch between pale yellow and dark blue in response to various stimuli, including temperature, light irradiation, electric field, and exposure to hydrogen. Due to its high colouring efficiency and fast switching, it can be used in antidazzling mirrors and smart window applications, as well as in gas sensing. in this paper, we present the influence of annealing on the properties of WO₃ coatings that were annealed at temperatures in the range from 200°C to 400°C. The sensing response was characterized based on the transmittance measurement during exposure to air and Ar/H₂ mixture with hydrogen concentrations from 25 ppm to 1000 ppm. Furthermore, the influence of annealing on the structure and morphology of the coatings was examined. annealing at 400°C led to a structure change from amorphous to crystalline one. after the introduction of the Ar/H₂ mixture, a decrease in transmittance was observed for all of the analysed coatings. For films annealed at 200°C and 300°C, the transmittance value decreased during the entire colouring cycle, while for the coating annealed at 400°C a plateau was reached after 7 minutes of exposure. it was found that the best sensing characteristics were obtained for the WO₃ thin film annealed at 400°C due to high sensor response to very low hydrogen concentrations (SR = 6.3 for 25 ppm H₂) as well as short response and recovery times.

Słowa kluczowe

PL

elektronika; tlenek wolframu; cienkie warstwy; impulsowe rozpylanie magnetronowe; właściwości sensorowe

EN

electronics; tungsten oxide; thin film; gas impulse magnetron sputtering; gas sensing properties

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 72, nr 3
• Strony: 43--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kapuścik Paulina

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Studenckie Koło Naukowe „Transparentna Elektronika”, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0009-0001-9150-4380

autor

Mazur Michał

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Studenckie Koło Naukowe „Transparentna Elektronika”, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0002-6997-4204

autor

Wojcieszak Damian

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Studenckie Koło Naukowe „Transparentna Elektronika”, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław

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

Bibliografia

• [1] Mirzaei A., Kim J. H., Kim H. W., Kim S. S., Gasochromic WO3 Nanostructures for the Detection of Hydrogen Gas: An Overview, Applied Sciences, 9, 9, 2019, https://doi.org/10.3390/app9091775.
• [2] Obstarczyk A., Mazur M., Kaczmarek D., Domaradzki J., Wojcieszak D., Grobelny M., Kalisz M., Influence of Post-process Annealing Temperature on Structural, Optical, Mechanical and Corrosion Properties of Mixed TiO2 WO3 Thin Films, Thin Solid Films, 698, 2020, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137856.
• [3] Gao C., Guo X., Nie L., Wu X., Peng L., Chen J., A Review on WO3 Gasochromic Film: Mechanism, Preparation and Properties, International Journal of Hydrogen Energy, 48, 6, 2023, 2442-2465, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.100.
• [4] Mazur M., Wojcieszak D., Wiatrowski A., Kaczmarek D., Lubańska A., Domaradzki J., Mazur P., Kalisz M., Analysis of Amorphous Tungsten Oxide Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering for Application in Transparent Electronics, Applied Surface Science, 570, 2021, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151151.
• [5] Takahashi H., Okazaki S., Nishijinia Y., Arakawa T., Optimization of Hydrogen Sensing Performance of Pt/WO3 Gasochromic Film Fabricated by Sol-Gel Method, Sensors and Materials, 29, 9, 2017, 1259-1268, https://doi.org/10.18494/SaM.2017.1585.
• [6] Tavakoli Foroushani F., Tavanai H., Ranjbar M., Bahrami H., Fabrication of Tungsten Oxide Nanofibers Via Electrospinning for Gasochromic Hydrogen Detection, Sensors and Actuators, B: Chemical, 268, 2018, 319-327, https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.04.120.
• [7] Yamaguchi Y., Emoto Y., Kineri T., Fujimoto M., Mae H., Yasumori A., Nishio K., Hydrogen Gas-sensing Properties of Pt/WO3 Thin Film in Various Measurement Conditions, Ionics, 18, 2012, 449-453, https://doi.org/10.1007/s11581-012-0683-2.
• [8] Li D., Wu G., Gao G., Shen J., Huang F., Ultrafast Coloring-bleaching Performance of Nanoporous WO3-SiO2 Gasochromic Films Doped with Pd Catalyst, ACS Applied Materials and interfaces, 3,
• 12, 2011, 4573-4579, https://doi.org/10.1021/am200781e.
• [9] Hwan Cho S., Min Suh J., Jeong B., Hyung Lee T., Soon Choi K., Hoon Eom T., Kim T., Won Jang H., Fast Responding and Highly Reversible Gasochromic H2 Sensor Using Pd-decorated Amorphous WO3 Thin Films, Chemical Engineering Journal, 446, 1, 2022, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136862.
• [10] Li Z., Yang M., Dai J., Wang G., Huang C., Tang J., Hu W., Song H., Huang P., Optical Fiber Hydrogen Sensor Based on Evaporated Pt/WO3 Film, Sensors and Actuators, B: Chemical, 206, 2015, 564-569, https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.09.093.
• [11] Tahmasebi Garavand N., Mahdavi S. M., Iraji Zad A., Pt and Pd as Catalyst Deposited by Hydrogen Reduction of Metal Salts on WO3 Films for Gasochromic Application, Applied Surface Science, 273, 2013, 261-267, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.02.027.
• [12] Garavand N. T., Mahdavi S. M., Zad A. I., Ranjbar M., The Effect of Operating Temperature on Gasochromic Properties of Amorphous and Polycrystalline Pulsed Laser Deposited WO3 Films, Sensors and Actuators, B: Chemical,169, 2012, 284-290, https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.04.082.
• [13] Lee Y. A., Kalanur S. S., Shim G., Park J., Seo H., Highly Sensitive Gasochromic H2 Sensing by Nano-columnar WO3-Pd Films with Surface Moisture, Sensors and actuators, B: Chemical, 238, 2017, 111-119, https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.07.058.
• [14] Wisitsoorat A., Ahmad M. Z., Yaacob M. H., Horpratum M., Phakaratkul D., Lomas T., Tuantranont A., Wlodarski W., Optical H2 Sensing Properties of Vertically Aligned Pd/WO3 Nanorods Thin Films Deposited Via Glancing Angle rf Magnetron Sputtering, Sensors and Actuators 2013, B: Chemical, 182, 2013, 795-801, https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.03.091.
• [15] Okazaki S., Johjima S., Temperature Dependence and Degradation of Gasochromic Response Behavior in Hydrogen Sensing with Pt/WO3 Thin Film, Thin Solid Films, 558, 2014, 411-415, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.02.080.
• [16] Ahmad M. Z., Sadek A. Z., Yaacob M. H., Anderson D. P., Matthews G., Golovko V. B., Wlodarski W., Optical Characterisation of Nanostructured Au/WO3 Thin Films for Sensing Hydrogen at Low Concentrations, Sensors and Actuators, B: Chemical, 179, 2013, 125-130, https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.09.102.
• [17] Tauc J., Amorphous and Liquid Semiconductors, Ma: Springer US, Boston 1974, https://doi.org/10.1007/978-1-4615-8705-7.