Wyniki badań odpowiedzi gazochromowej na wodór cienkich warstw WO₃ naniesionych za pomocą parowania wiązką elektronową

• Autorzy: Weichbrodt Wiktoria , Mazur Michał

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.7919

Warianty tytułu

EN

Results of the gasochromic response on hydrogen of WO₃ thin films deposited by electron beam evaporation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wśród materiałów chromowych dużym zainteresowaniem cieszy się trójtlenek wolframu (WO₃ ). Jest to bezbarwny półprzewodnik charakteryzujący się brakiem toksyczności oraz wysoką stabilnością chemiczną. WO₃ wykazuje właściwości gazochromowe, co oznacza, że materiał ulega odwracalnym zmianom właściwości optycznych pod wpływem gazu. te właściwości sprawiają, że trójtlenek wolframu jest odpowiednim materiałem do zastosowań czujnikowych. W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości strukturalnych i optycznych cienkich warstw trójtlenku wolframu wytworzonych metodą parowania wiązką elektronową i wygrzewanych w temperaturze od 400 do 800°C. Właściwości optyczne, w tym również właściwości gazochromowe, określono na podstawie widm transmisji światła w atmosferze zawierającej wodór o stężeniu od 50 do 500 ppm. Badano właściwości optyczne warstw WO₃ zarówno z naniesioną warstwą katalizatora w postaci palladu, jak i bez tej warstwy. Wygrzewanie próbek w temperaturze powyżej 400°C spowodowało krystalizację warstw, a dalsza modyfikacja poprocesowa w temperaturze 800°C spowodowała sublimację warstwy, stworzenie wysp krystalicznych ziaren o dużych rozmiarach oraz znaczne pogorszenie właściwości optycznych. Zmiana współczynnika transmisji światła nastąpiła we wszystkich próbkach z naniesioną warstwą katalizatora po ekspozycji warstw na wodór. Na podstawie zaprezentowanych wyników badań stwierdzono, że najlepszymi właściwościami gazochromowymi charakteryzują się warstwy wygrzewane w temperaturze 400°C, ponieważ wykazują największą zmianę transmisji światła pod wpływem wodoru. W pracy potwierdzono możliwość poprawy odpowiedzi gazochromowej cienkich warstw trójtlenku wolframu wytworzonych metodą parowania wiązką elektronową za pomocą wygrzewania, co zgodnie z bieżącą wiedzą nie zostało wcześniej osiągnięte.

EN

Among chromogenic materials, tungsten trioxide (WO₃) is of great interest. it is a colourless semiconductor characterised by a lack of toxicity and high chemical stability. WO₃ exhibits gasochromic properties, meaning that the material undergoes reversible changes in optical properties when it is exposed to gas. These properties make tungsten oxide a suitable material for sensing applications. This paper presents the results of an analysis of the surface, structural and optical properties of tungsten oxide thin films fabricated by electron beam evaporation and annealed at 400°C to 800°C. optical properties, including gasochromic properties, were determined from light transmission spectra in an atmosphere containing hydrogen at the concentrations ranging from 50 ppm to 500 ppm. The optical properties of WO₃ films without and with a palladium catalyst layer are applied. annealing the samples at temperatures above 400°C resulted in crystallisation of the layers, and further post-process modification at 800°C led to sublimation, the formation of islands of crystalline grains of large size and a significant deterioration in optical properties. a change in the light transmission coefficient occurred for all samples with the catalyst layer applied after the introduction of a hydrogen-argon mixture. Based on the results, it can be concluded that the layers annealed at 400°C had the best gasochromic properties due to the greatest changes in light transmission under hydrogen. The study confirms that it is possible to improve the gasochromic response of tungsten trioxide thin films produced by electron beam evaporation using thermal modification, which, to the best of current knowledge, has not previously been achieved.

Słowa kluczowe

PL

elektronika; trójtlenek wolframu; WO3; odparowanie wiązką elektronów; cienka warstwa; właściwości gazochromowe; właściwości optyczne; wygrzewanie; czujnik optyczny; czujnik wodoru

EN

electronics; tungsten trioxide; WO3; electron beam evaporation; thin film; gasochromic properties; optical properties; annealing; optical sensor; hydrogen sensor

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 72, nr 4
• Strony: 91--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Weichbrodt Wiktoria

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

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

Bibliografia

• [1] Novak T. G., Kim J., Desario P. A., Jeon S., Synthesis and Applications of WO3 Nanosheets: the Importance of Phase, Stoichiometry, and Aspect Ratio, Nanoscale adv., 3, 2021, 5166-5182.
• [2] 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.
• [3] Shakoury R., Arman A., Rezaee S., Korpi A.G., Kulesza S., Luna C., Bramowicz M., Mardani M., Optical Properties and Morphology Analysis of Hexagonal WO3 Thin Films Obtained by Electron Beam Evaporation, J Mater Sci: Mater Electron, 32, 2021, 798-805.
• [4] Çoban Ö., Tüzemen S., Gasochromic Properties of Thin Film Oxides in Terms of Surface Physics, Materials today: Proceedings, 46, 16, 2021, 7021-7024.
• [5] Nishizawa K., Yamada Y., Yoshimura K., Low-temperature Chemical Fabrication of WO 3 Gasochromic Switchable Films: a Comparative Study of Pd and Pt Nanoparticles Dispersed WO3 Flms Based on Their Structural and Chemical Properties, Thin Solid Films, 709, 2020, 138201.
• [6] Zakirullin R., Grating Optical Filters for Smart Windows: Materials, Calculations and Prospects, AIMS Materials Science, 7, 6, 2020, 720-771.
• [7] Lei G., Lou C., Liu X., Xie J., Li Z., Zheng W., Zhang J., Thin Films of Tungsten Oxide Materials for Advanced Gas Sensors, Sensors and actuators B: Chemical, 341, 2021, 129996.
• [8] Burkhardt S., Elm M. T., Lani-Wayda B., Klar P. J., In Situ Monitoring of Lateral Hydrogen Diffusion in Amorphous and Polycrystalline WO3 Thin Films, adv. Mater. interfaces, 5, 2018, 1701587.
• [9] Hwan Cho S., Min Suh J., Jeong B., Hyung Lee T., Soon Choi K., Hoon Eom T., Kim T., Jang H. W., Fast Responding and Highly Reversible Gasochromic H 2 Sensor Using Pd-decorated Amorphous WO3 Thin Films, Chem. Eng. J., 446, 1, 2022, 136862.
• [10] Nie L., Guo X., Gao C., Wu X., Chen J., Peng L., Optical H2-sensing Properties of Ordered Porous WO3 Films Prepared by Colloidal Template Method, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 33, 2022, 1604-1617.