Study of Structural and Sensing Properties of Tungsten Trioxide Thin Films Deposited By RF Sputtering

Abstract

Hoy en día la habilidad de producir capas de óxidos metálicos compuestos por nanogranos es muy importante, no sólo como conocimiento fundamental, sino también desde un punto de vista industrial debido a las numerosas aplicaciones de los óxidos metálicos nanoesctructurados en varios dispositivos electrónicos. Por ejemplo, en el campo de los sensores de gas, la relación superficie-volumen de las capas basadas en nanogranos de óxidos metálicos, ofrece la posibilidad de mejorar las propiedades de detección de estos dispositivos. Por esta razón, una gran fracción del total de la investigación y desarrollo en el campo de los sensores de gas basados en óxidos metálicos está dirigida a obtener capas activas compuestas por nanogranos. En la actualidad el estudio de nuevas técnicas para el depósito de capas activas compuestas por nanogranos y además compatibles con la fabricación de microsistemas se ha convertido en una necesidad imperiosa. <br/>La presente tesis resume el trabajo del autor llevado a cabo en los últimos cuatro años y está relacionado con el desarrollo de dos regimenes especiales para depositar capas finas de óxido metálico por el método de pulverización catódica asistida por radio frecuencia para aplicaciones de sensores de gas. El primer régimen, nombrado régimen de interrupciones consiste en depositar la capa óxido metálico con una o varias interrupciones durante el proceso. El segundo régimen, nombrado régimen flotante consiste en introducir "extra" interfases dentro del volumen de la capa del óxido metálico por medio de interrupciones y empleando dos densidades de potencia durante el depósito (la primera para depositar el volumen de la capa y la segunda para depositar la capa superficial). El trabajo realizado en esta tesis fue de carácter experimental; además fue complementado por varios tipos de técnicas de caracterización que permitieron estudiar las propiedades físicas y las de detección de las capas depositadas.<br/>Los resultados mostraron que la introducción de "extra" interfases en el volumen de las capas de trióxido de tungsteno (WO3) influye en las propiedades morfológicas y estructurales de la capa obtenida. Se determinó que la transformación de fase del WO3, de amorfo a cristalino, tiene diferente tipo de actividad en las capas depositadas con interrupciones en comparación con las depositadas sin interrupciones. Así se observó que el proceso de cristalización es más lento cuando se depositan las capas de óxido metálico mediante el régimen de interrupciones. Por otro lado, se observó una reducción del tamaño de grano en las capas de WO3 depositadas tanto a través del régimen de interrupciones como del régimen flotante. También se determinó que los microsensores de gas fabricados empleando los dos regimenes estudiados tienen prometedoras características de detección, puesto que estos dispositivos mostraron mejor sensibilidad y selectividad a bajas concentraciones de gases oxidantes, tales como NO2 y O3, en comparación con los sensores de gas fabricados a través del régimen convencional de depósito por pulverización catódica. En conclusión, los sensores desarrollados en esta tesis podrían ser usados para monitorizar los principales contaminantes del aire.<br/><br/>La tecnología de sensores se muestra como una de las tecnologías más importantes del futuro con una gran variedad de aplicaciones las cuales van desde el sector industrial hasta el sector privado. En la actualidad los sensores de gases son empleados para detectar y monitorizar una variedad de gases incluyendo gases tóxicos y explosivos. Las aplicaciones mas importantes de los sensores de gas están relacionados con el sector de la automoción, el sector industrial y el sector aeroespacial (donde los sensores son empleados para detectar gases tales como NOx, O2, NH3, SO2, O3, CO2 y gases de combustión para la protección del medio ambiente), el sector de la industria alimenticia (donde los sensores de gas son utilizados para controlar los procesos de fermentación), en el sector domestico (donde el CO2, humedad y gases de combustión necesitan ser detectados), el sector médico (donde los sensores de gas son aplicados para el diagnóstico y la monitorización de pacientes), y el sector de la seguridad (donde los sensores de gas son requeridos para detectar trazas de explosivos). Aunque algunas técnicas convencionales como la espectroscopia de masas o la cromatografía de gases pueden ser usadas en las aplicaciones mencionadas anteriormente con alta selectividad y sensibilidad, resulta obvio que su uso esta limitado por el coste, la instrumentación, la complejidad y el volumen de los equipos. Al contrario, los sensores de gas de estado sólido, en particular aquellos basados en capas de óxidos metálicos, representan una buena alternativa debido a su bajo costo, posibilidad de movilidad y compatibilidad con la tecnología microelectrónica. Desafortunadamente la falta de selectividad y estabilidad de largo plazo son parte de la problemática de este tipo de dispositivos. Como resultado, el desarrollo de sensores de gas basados en óxidos metálicos de alta sensibilidad, selectividad y buena estabilidad de largo plazo es el tema de muchas investigaciones. <br/><br/>Hasta ahora, varias estrategias basadas principalmente en el uso de aditivos específicos en la superficie, catalizadores y promotores, controladores de temperatura y filtros han sido estudiadas con el objetivo de resolver parcialmente la problemática de los sensores de gas basados en óxidos metálicos. Sin embargo el autor cree que el paso fundamental para mejorar las funciones de este tipo de sensores esta relacionado con las recientes estrategias que tienen por objetivo el desarrollo de métodos para incremental el área superficial de la capa activa. Es bien sabido que la eficiencia de los sensores basados en óxidos metálicos está relacionada directamente con relación superficie-volumen de las capas activas. <br/><br/>En esencia, las líneas de investigación estudiadas para conseguir altas áreas superficiales en las capas activas, pueden ser clasificadas en dos grupos. El primero consiste en la obtención de nanoparticulas basadas en óxidos metálicos a través de procesos químicos o físicos. El segundo consiste en la aplicación métodos especiales de preparación para el modelado de la superficie activa (por ejemplo, plantillas de estructura de alúmina porosa). Esta última opción representa una buena alternativa, pero sin métodos que permitan depositar capas activas basadas en nanopartículas no es factible. Por esta razón, es importante desarrollar métodos que permitan obtener capas de óxido metálico compuestos por nanopartículas. <br/><br/>En este contexto, la presente tesis tiene como objetivo desarrollar técnicas de deposito basadas en el método de pulverización catódica para depositar capas de oxido metálico compuestas por nanogranos. Este manuscrito resume el trabajo del autor llevado a cabo en los últimos cuatro años y está relacionado con el desarrollo de nuevas tecnologías para depositar capas de óxidos metálicos con el fin de ser aplicadas en sensores de gases. El trabajo realizado en esta tesis fue de carácter experimental; además fue complementado por varios tipos de técnicas de caracterización que permitieron estudiar las propiedades físicas y las de detección de las capas depositadas.<br/><br/>La novedad del trabajo radica en la aplicación de dos regimenes de depósito a través de la técnica de pulverización catódica asistida por radio frecuencia para la creación de capas de oxido metálico aplicadas a sensores de gas. El primer régimen, nombrado régimen de interrupciones consiste en depositar una capa óxido metálico con una o varias interrupciones durante el proceso. En este caso se introducen "extra" interfases en el volumen de la capa, donde se forma una superficie en equilibrio debido a la saturación de los enlaces libres en la superficie producida por los átomos residuales de la atmósfera y/o la relajación de la estructura en la interfase durante la interrupción. El segundo régimen, nombrado régimen flotante consiste en introducir "extra" interfases dentro del volumen de la capa del óxido metálico por medio de interrupciones y empleando dos densidades de potencia durante el depósito (la primera para depositar el volumen de la capa y la segunda para depositar la capa superficial). <br/><br/>Los resultados mostraron que la aplicación interrupciones durante el crecimiento de capas finas de WO3 permite la creación de capas compuestas por nanogranos. La caracterización morfológica de las muestras depositadas con este régimen dio evidencia de la reducción del tamaño de grano en el WO3 en comparación con las muestras depositadas a través del régimen convencional. Se determinó una reducción en el tamaño de grano desde 24 nm a 17 nm mediante microscopia de fuerza atómica. Por otro lado, las capas de WO3 depositadas por interrupciones revelaron una estructura monoclínica con simetría Pc. Se determinó que la transformación de fase del WO3, de amorfo a cristalino, tiene diferente tipo de actividad en las capas depositadas con interrupciones en comparación con las depositadas sin interrupciones. Así se observó que el proceso de cristalización es más lento cuando se depositan las capas de óxido metálico mediante el régimen de interrupciones. La caracterización de las propiedades de detección de los microsensores de gas fabricados empleando el régimen de interrupciones reveló una mejora de la sensibilidad y selectividad a bajas concentraciones de gases oxidantes, tales como NO2 y O3, con respecto a los sensores fabricados convencionalmente. La mejora de la sensibilidad de los sensores fabricados con el régimen de interrupciones esta relacionada con la disminución del tamaño de grano en la capa activa.<br/><br/>Los sensores de WO3 fabricados mediante el régimen flotante no mostraron diferencias ni en el tamaño de grano ni en la composición cristalina con respecto a las capas depositadas por interrupciones. La caracterización de las propiedades de detección de los sensores de gas fabricados con el régimen flotante dio como resultado altas sensibilidades para bajas concentraciones de NO2. La mejora de la sensibilidad observada en los sensores de gas fabricados por el régimen flotante parece estar relacionada no solo con la reducción en el tamaño de grano de la capa activa (comparando con los sensores de gas convencionales), si no también podría tener relación con el grado de limpieza de la superficie de la capa, la cual es mejor debido a que la capa superficial es depositada a una densidad de potencia más alta. En base a estos resultados se cree que los sensores desarrollados en esta tesis podrían ser usados para monitorizar los principales contaminantes del aire<br/><br/>Palabras clave: <br/>Trióxido de tungsteno, RF sputtering, Nanogranos, Sensor de Gas