Bringing Transition Metal Dichalcogenides to the Forefront: Advancements in Gas Sensing Beyond Metal Oxides

Abstract

Aquesta tesi demostra la transició dels materials de detecció de gasos des dels òxids metàl·lics semiconductors d'alt consum d'energia cap als dicalcogeniurs de metalls de transició enriquits en vores. La tesi es va planificar per primer entendre el comportament de detecció de gasos dels òxids metàl·lics, especialment el WO3, i posteriorment progressar cap als dicalcogeniurs de metalls de transició. En aquesta tesi, no només vam fer amb èxit la transició des dels òxids metàl·lics sinó que també vam utilitzar dicalcogeniurs de metalls de transició per detectar de manera selectiva diversos gasos tòxics com el NO2 i el NH3. A més, vam aconseguir utilitzar híbrids d'òxids metàl·lics i dicalcogeniurs de metalls de transició per baixar les temperatures de funcionament dels òxids metàl·lics de 300°C a 150°C. Nanofils de WO3 amb morfologia controlada van ser sintetitzats utilitzant AACVD i decorats amb nanopartícules de CeO2 per a la detecció de gasos, mostrant respostes millorades i selectives a l'etanol. Addicionalment, es va desenvolupar una nova tècnica d'APCVD per sintetitzar làmines de WS2 a gran escala en forma de pols, demostrant propietats excepcionals de detecció de NH3. A més a més, es van aconseguir pel·lícules primes híbrides de WS2-grafè per a la detecció d'ultra baix nivell de NO2, amb un límit experimental de detecció (LoD) de 10 ppb. Es va demostrar que la integració de heterojuncions de TMDs i òxids metàl·lics millora la sensibilitat i redueix les temperatures de funcionament per a la detecció de NO2. A més a més, làmines de MoS2 van ser decorades amb nanopartícules de Pd utilitzant AACVD per a una detecció d'hidrogen altament sensible i selectiva. Finalment, en la recerca de dispositius d'autoalimentació, es van fabricar composites de polímers piezoelèctrics de ZnO per a nanogeneradors piezoelèctrics flexibles, amb l'objectiu d'avançar en les tecnologies de recol·lecció d'energia per a l'electrònica portàtil.

Esta tesis demuestra la transición de los materiales de detección de gases desde los óxidos metálicos semiconductores de alto consumo de energía hacia los dicalcogeniuros de metales de transición enriquecidos en bordes. La tesis se planificó primero para comprender el comportamiento de detección de gases de los óxidos metálicos, especialmente el WO3, y posteriormente avanzar hacia los dicalcogeniuros de metales de transición. En esta tesis, no solo logramos la transición exitosa desde los óxidos metálicos, sino que también utilizamos dicalcogeniuros de metales de transición para detectar selectivamente varios gases tóxicos como NO2 y NH3. Además, logramos el uso de híbridos de óxidos metálicos y dicalcogeniuros de metales de transición para reducir las temperaturas de operación de los óxidos metálicos de 300°C a 150°C. Se sintetizaron nanocables de WO3 con morfología controlada utilizando AACVD y se decoraron con nanopartículas de CeO2 para la detección de gases, mostrando respuestas mejoradas y selectivas al etanol. Además, se desarrolló una nueva técnica de APCVD para sintetizar láminas de WS2 a gran escala en forma de polvo, demostrando propiedades excepcionales de detección de NH3. Además, se lograron películas delgadas híbridas de WS2-grafeno para la detección ultra baja de NO2, con un límite experimental de detección (LoD) de 10 ppb. Se demostró que la integración de heterojunciones de TMDs y óxidos metálicos mejora la sensibilidad y reduce las temperaturas de operación para la detección de NO2. Además, se decoraron láminas de MoS2 con nanopartículas de Pd utilizando AACVD para una detección altamente sensible y selectiva de hidrógeno. Finalmente, en busca de dispositivos de autoalimentación, se fabricaron compuestos de polímeros piezoeléctricos de ZnO para nanogeneradores piezoeléctricos flexibles, con el objetivo de avanzar en las tecnologías de recolección de energía para la electrónica vestible.

This thesis demonstrates the transition of gas sensing materials from high-power-consuming semiconductor metal oxides to edge-enriched transition metal dichalcogenides. The thesis was planned to first understand the gas sensing behavior of metal oxides, especially WO3, and subsequently progress towards transition metal dichalcogenides. In this thesis, we not only successfully transitioned from metal oxides but also utilized transition metal dichalcogenides in selectively detecting various toxic gases like NO2 and NH3. Moreover, we accomplished the use of hybrids of metal oxides and transition metal dichalcogenides to lower the operating temperatures of the metal oxides from 300°C to 150°C. WO3 nanowires with controlled morphology were synthesized using AACVD and decorated with CeO2 nanoparticles for gas sensing, showing enhanced and selective responses to ethanol. Additionally, a novel APCVD technique was developed to synthesize large-scale WS2 sheets in powder form, demonstrating exceptional NH3 sensing properties. Furthermore, WS2-graphene hybrid thin films for ultra-low NO2 detection, with an experimental limit of detection (LoD) of 10 ppb, were achieved. Integrating heterojunctions of TMDs and metal oxides were demonstrated to enhance sensitivity and reduce operating temperatures for NO2 sensing. Moreover, MoS2 sheets were decorated with Pd nanoparticles using AACVD for highly sensitive and selective hydrogen detection. Finally, in pursuit of self-powering devices, ZnO-piezoelectric polymer composites were fabricated for flexible piezoelectric nanogenerators, aiming to advance energy harvesting technologies for wearable electronics.