Tungsten oxide nanostructures and thin films for optical gas sensors

Abstract

En aquesta tesis doctoral s’han investigat capes primes i nanostructures de WO3 per sensat òptic de gasos. S’han realitzats els estudis de la síntesis dels materials nanoestructurats, la possible fabricació del dispositiu i les propietats per la detecció dels gasos. Han estat investigades les capes primes de WO3, amb uns grossors al voltant de les 550 nm, crescudes mitjançant RF sputtering. Aquestes capes varen ser dopades amb nanopartícules de Pt i es varen estudiar les seves propietats de sensat òptic de gas sota la influencia de H2, CO i NOx. Aquestes capes mostraren una reposta i recuperacions ràpides sota la influencia dels gasos anteriorment esmentats. Les capes no dopades de WO3 mostren una resposta òptica detectable al gas NOx, mentre que les capes dopades amb nanopartícules de Pt mostres una resposta al H2 a temperatura ambient. De manera similar, la resposta gasocromica de les nanoagulles al gas NH3 tambe va ser investigada. Les nanoagulles de WO3 decorades amb nanopartícules de Pt i Au mostren una resposta òptica quan estan exposades a NH3 gas a temperatura ambient. És la primera vegada que es reporta la resposta òptica del WO3 a temperatura ambienti es descriu en aquesta tesis. Finalment, de manera semblant a les capes primes, el temps de detecció i recuperació de les nanoagulles als gasos; és ràpid i de l’ordre de segons. En resum, la recerca realitzada en el si d’aquesta tesis, ha complert els objectius d’investigar i desenvolupar uns sensors òptics de gasos fets de WO3 i en forma de nanoestructures i capes primers. De manera exitosa, aquest material s’ha implementat per la detecció òptica de NH3, CO, NOx i H2. Basant-nos en aquests resultats, l’avaluació final és que el WO3 és un bon material com a candidat de futurs dispositius òptics per la detecció de gasos.

En esta tesis doctoral se han investigados capas delgadas i nanoestructuras de WO3 para el sensado óptico de gases. Se han relaizado estudios de las síntesis de materiales nanoestructurados, la posible fabricación del dispositivo y las propiedades para la detección de gases. Se han investigado capas delgadas de WO3 con unos grosores cercanos a 550 nm, crecidas mediante pulverización catódica de radiofrecuencia. Dichas capas fueron dopadas con nanopartículas de Pt y se estudiaron sus propiedades para el sensado óptico de gases como el H2, Co y NOx. Estas capas mostraron un respuesta y recupèración rápidas bajo la influencia de los gases mencionados anteriormente. Las capas no dopadas de WO3 mustran una respuesta óptica mediable al NOx mientras que las dopadas con Pt muestran repsuesta al H2 a temperatura ambiente. De manera similar, la respuesta gasocrómica de nanoagujas de WO3 decoardas con nanopartículas de Pt y Au muestran una respuesta óptica a temperatura ambiente cuando se exponen a NH3. Por primera vez y en esta tesis se reporta la respuesta óptica del WO3 a temperatura ambiente. Finalmente y de manera similar a las capas delgadas, los tiempos de respuesta y recuperación de las nanoagujas de WO3 es rápido y del orden de segundos. En resumen, la investigtación que se ha desarrollado en esta tesis ha cumplido los objetivos de desarrollar sensores ópticos basados en nanomateriales de WO3. Se ha implementado la detección de NH3, CO, NOx y H2. de forma exitosa. Basandonos en estos resultados podemos concluir que el WO3 representa un buen material candiudato a ser integrado en futuros dispositivos ópticos para el sensado de gases.

n this doctoral thesis, WO3 based thin films and nanostructures have been investigated for optical gas sensing. The nano structured material synthesis, device fabrication and their gas sensing properties have been studied. WO3 thin films with thicknesses around 550 nm, grown by RF sputtering have been investigated for optical gas sensing using absorbance spectroscopy. These films were doped with Pt nanoparticles and subjected to optical gas sensing under the influence of H2, CO and NOx. These films showed fast response and recovery under the influence of mentioned gases. The response and recovery time is in the range of seconds. The bare WO3 films show a measureable optical response to NOx. The films doped with Pt nanoparticles show a response to H2 at room temperature. Similarly, the gasochromic response of WO3 nanoneedles was investigated upon the exposure to NH3. The nanoneedles decorated with Au and Pt show optical response when exposed to NH3 gas at room temperature. The optical response at room temperature of these nanoneedles is presented in this doctoral thesis for the first time. Similarly to thin films, nanoneedles have also shown a fast response and recovery time in the range of seconds. In summary, this PhD research program successfully fulfilled its objectives to investigate and develop novel WO3 optical sensors based on nanostructures and thin films. During the work the author has successfully employed this material for optically sensing the mentioned gases such as NH3, CO, NOx, and H2. The evaluation of these results indicates that WO3 is a good candidate for designing future devices for optical gas sensing.