Design, Optimization and Characterization of Metal Oxide Nanowire Sensors

Abstract

En aquesta tesi, he estudiat i desenvolupat un mètode de deposició química en fase vapor assistit per aerosol (AACVD), per al creixement directe de nanoagulles d'òxid de tungstè funcionalitzades o intrínseques. Els dipòsits s'han realitzat sobre diferents substrats trasndcutors per a la seva aplicació a la detecció de gasos. Aquesta tècnica ofereix la possibilitat de co-dipositar els metalls amb els òxids metàl•lics emprant una sola etapa de deposició. La síntesi del material nanoestructurat, la fabricació del dispositiu, la caracterització dels materials i la detecció de gasos han estat investigades. El mètode AACVD es va emprar per al creixement i la integració directa de la pel•lícula sensible sobre substrats ceràmics (alúmina), MEMS (micro hotplates) i polimèrics flexibles, el que demostra la seva compatibilitat i idoneïtat per al creixement de nanoestructures d'òxid metàl•lics sobre una àmplia gamma de substrats transductors. A més, el mètode AACVD s'ha implementat també en un reactor de paret freda per créixer les nanoestructures de WO3, emprant l'escalfament localitzat que permeten aconseguir les microresistencias calefactores integrades en alguns dels transdcutors emprats. Totes les pel•lícules sintetitzades en aquesta tesi doctoral es componien de nanoagulles de WO3 pur o de WO3 funcionalitzat amb nanopartícules d'or (Au), platí (Pt), òxid de coure (Cu2O) o pal•ladi (Pd). Es van utilitzar diverses tecnologies d'anàlisi per caracteritzar la morfologia, l'estructura i la composició de les pel•lícules produïdes. Els resultats van mostrar que el nostre mètode és eficaç per al creixement de nanoagulles cristal•lines de WO3 decorades amb nanopartícules de metalls / òxids metàl•lics, a temperatures moderades (és a dir, 380 ° C), amb eficàcia en els seus costos i amb temps de fabricació curts, directament sobre l'element transdcutor amb vista a obtenir sensors de gasos. Els estudis de detecció de gasos han mostrat que aquest nanomaterial híbrid té una excel•lent sensibilitat i selectivitat en comparació amb mostres de WO3 pur. A més, els nanocompostos Cu2O / WO3 i Pd / WO3 han demostrat posseir una excel•lent sensibilitat i selectivitat cap als gasos H2S i H2, respectivament.

En esta tesis, he estudiado y desarrollado un método de deposición química en fase vapor asistido por aerosol (AACVD), para el crecimiento directo de nanoagujas de óxido de tungsteno funcionalizadas o intrínsecas. Los depósitos se han realizado sobre distintos sustratos transdcutores para su aplicación a la detección de gases. Esta técnica ofrece la posibilidad de co-depositar los metales con los óxidos metálicos empleando una sola etapa de deposición. La síntesis del material nanoestructurado, la fabricación del dispositivo, la caracterización de los materiales y la detección de gases han sido investigadas. El método AACVD se empleó para el crecimiento y la integración directa de la película de sensible sobre sustratos cerámicos (alúmina), MEMS (micro hotplates) y poliméricos flexibles, lo que demuestra su compatibilidad e idoneidad para el crecimiento de nanoestructuras de óxido metálicos sobre una amplia gama de sustratos transductores. Además, el método AACVD se ha implementado también en un reactor de pared fría para crecer las nanoestructuras de WO3, empleando el calentamiento localizado que permiten conseguir las microresistencias calefactoras integradas en algunos de los transductores empleados. Todas las películas sintetizadas en esta tesis doctoral se componían de nanoagujas de WO3 puro o de WO3 funcionalizado con nanopartículas de oro (Au), platino (Pt), óxido de cobre (Cu2O) o paladio (Pd). Se utilizaron diversas tecnologías de análisis para caracterizar la morfología, la estructura y la composición de las películas producidas. Los resultados mostraron que nuestro método es eficaz para el crecimiento de nanoagujas cristalinas de WO3 decoradas con nanopartículas de metales / óxidos metálicos, a temperaturas moderadas (es decir, 380 ° C), con eficacia en sus costes y con tiempos de fabricación cortos, directamente sobre el elemento trasndcutor con vistas a obtener sensores de gases. Los estudios de detección de gases han mostrado que este nanomaterial híbrido tiene una excelente sensibilidad y selectividad en comparación con muestras de WO3 puro. Además, los nanocompuestos Cu2O / WO3 y Pd / WO3 han demostrado poseer una excelente sensibilidad y selectividad hacia los gases H2S y H2, respectivamente.

In this thesis, I have studied and developed aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD) methods for the direct growth of non-functionalized and functionalized tungsten oxide nanoneedles, onto different transducer substrates, for gas sensing applications. This technique gives the possibility to co-deposit metals with metal oxides nanostructures within a single step deposition. The nanostructured material synthesis, device fabrication, material characterization and gas sensing performance have been investigated. AACVD method was employed for the direct growth and integration of the sensing film onto ceramic (alumina), MEMS (silicon micro hotplates) and flexible polymeric substrates, demonstrating its compatibility and suitability for growing metal oxide nanostructures onto a wide spectrum of sensor substrates. Furthermore, AACVD based on the localized heating of substrates employing their embedded resistive microheaters has been also performed and developed for the growth of WO3 nanostructures, using a cold wall reactor. All the synthesized films used in this doctoral thesis were composed of pure WO3 nanoneedles or WO3 nanoneedles functionalized with either gold (Au), platinum (Pt), cuprous oxide (Cu2O) or palladium (Pd) nanoparticles. Various analytical techniques were used to characterize the morphology, the structure and the composition of the produced films. The results showed that our method is effective for growing single crystalline WO3 nanoneedles decorated with metals/metal oxides nanoparticles at moderate temperatures (i.e., 380 °C), with cost effectiveness and short fabrication times, directly onto transducers in view of obtaining gas sensors. The gas sensing studies performed showed that these hybrid nanomaterials have excellent sensitivity and selectivity compared to pristine WO3 samples. Cu2O/WO3 and Pd/WO3 nanocomposites have shown excellent sensitivity and selectivity toward H2S and H2 gases respectively.