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

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. 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.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.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. 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. 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. 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.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). 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.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 airePalabras clave: Trióxido de tungsteno, RF sputtering, Nanogranos, Sensor de Ga

Photoactivated materials and sensors for NO2 monitoring

This review presents the recent research efforts and developments in photoactive materials for sensing ppb concentrations of NO2. It also includes the fundamentals of photoactivated gas sensing and enabling technologies for achieving light-activated gas microsensors. The discussion addresses the most common strategies to improve photoactivity in gas-sensitive materials, including tuning surface vacancies in semiconductor materials and forming nanoscale interfaces based on metal-semiconductor or semiconductor-semiconductor junctions. The data points to gas-sensitive materials containing ZnO as the most representative NO2 photoresponsive semiconductors. Besides, it exhibits novel photoactive materials with promising NO2 sensitivity, such as transition metal dichalcogenides, organic semiconductors, or organo-functional structures. The literature shows that photoactivated gas sensors have competitive detection limits and form factors as their commercial counterparts. Further improvements face to practical applications are forecasted to these sensing components by using material engineering and microfabrication technologies

VOCs Sensing by Metal Oxides, Conductive Polymers, and Carbon-Based Materials

This review summarizes the recent research efforts and developments in nanomaterials for sensing volatile organic compounds (VOCs). The discussion focuses on key materials such as metal oxides (e.g., ZnO, SnO2, TiO2 WO3), conductive polymers (e.g., polypyrrole, polythiophene, poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), and carbon-based materials (e.g., graphene, graphene oxide, carbon nanotubes), and their mutual combination due to their representativeness in VOCs sensing. Moreover, it delves into the main characteristics and tuning of these materials to achieve enhanced functionality (sensitivity, selectivity, speed of response, and stability). The usual synthesis methods and their advantages towards their integration with microsystems for practical applications are also remarked on. The literature survey shows the most successful systems include structured morphologies, particularly hierarchical structures at the nanometric scale, with intentionally introduced tunable "decorative impurities" or well-defined interfaces forming bilayer structures. These groups of modified or functionalized structures, in which metal oxides are still the main protagonists either as host or guest elements, have proved improvements in VOCs sensing. The work also identifies the need to explore new hybrid material combinations, as well as the convenience of incorporating other transducing principles further than resistive that allow the exploitation of mixed output concepts (e.g., electric, optic, mechanic)

Chemical Vapour Deposition of Gas Sensitive Metal Oxides

This article presents a review of recent research efforts and developments for the fabrication of metal-oxide gas sensors using chemical vapour deposition (CVD), presenting its potential advantages as a materials synthesis technique for gas sensors along with a discussion of their sensing performance. Thin films typically have poorer gas sensing performance compared to traditional screen printed equivalents, attributed to reduced porosity, but the ability to integrate materials directly with the sensor platform provides important process benefits compared to competing synthetic techniques. We conclude that these advantages are likely to drive increased interest in the use of CVD for gas sensor materials over the next decade, whilst the ability to manipulate deposition conditions to alter microstructure can help mitigate the potentially reduced performance in thin films, hence the current prospects for use of CVD in this field look excellent

ZnO Structures with Surface Nanoscale Interfaces Formed by Au, Fe2O3, or Cu2O Modifier Nanoparticles: Characterization and Gas Sensing Properties

Zinc oxide rod structures are synthetized and subsequently modified with Au, Fe2O3, or Cu2O to form nanoscale interfaces at the rod surface. X-ray photoelectron spectroscopy corroborates the presence of Fe in the form of oxide-Fe2O3; Cu in the form of two oxides-CuO and Cu2O, with the major presence of Cu2O; and Au in three oxidation states-Au3+, Au+, and Au-0, with the content of metallic Au being the highest among the other states. These structures are tested towards nitrogen dioxide, ethanol, acetone, carbon monoxide, and toluene, finding a remarkable increase in the response and sensitivity of the Au-modified ZnO films, especially towards nitrogen dioxide and ethanol. The results for the Au-modified ZnO films report about 47 times higher response to 10 ppm of nitrogen dioxide as compared to the non-modified structures with a sensitivity of 39.96% ppm(-1) and a limit of detection of 26 ppb to this gas. These results are attributed to the cumulative effects of several factors, such as the presence of oxygen vacancies, the gas-sensing mechanism influenced by the nano-interfaces formed between ZnO and Au, and the catalytic nature of the Au nanoparticles

Electrical Characterization of Hydrothermally Synthesized Metal Oxide Nanowires with Regard to Oxygen Adsorption/Desorption Thermodynamics

Hydrothermally synthesized MnO2 nanowires were deposited on gold interdigitated electrode (IDE) chip using dielectrophoresis (DEP). Conductivity of alone-standing MnO2 nanowires was tested both in synthetic air and in nitrogen ambientes. Thermal analysis was performed up to 300°C of bottom-placed heater (under the IDE chip). MnO2 material properties, such as semiconductor type, vacancies concentration and relative permittivity were evaluated by means of impedance and Mott-Schottky analyses.

Micromachined Gas Sensors Based on Au-functionalized SnO2 Nanorods Directly Integrated without Catalyst Seeds via AA-CVD

Tin oxide nanorods functionalized with Au nanoparticles are vapour synthesised at relatively lower temperatures than previously reported and without the need of catalyst seeds using co-deposition method via aerosol-assisted chemical vapour deposition. These functionalized structures formed directly, in a single-step process, on silicon micromachined platforms are tested toward H2, showing 12-fold greater response, 6-fold faster response time and better selectivity to CO compared to a similar non-functionalized system. Results show the significance of these method to form highly gas sensitive nanostructures compatible with the complementary electronic for the fabrication of gas microsensor devices

Canagliflozin and Cardiovascular and Renal Outcomes in Type 2 Diabetes Mellitus and Chronic Kidney Disease in Primary and Secondary Cardiovascular Prevention Groups

Background: Canagliflozin reduces the risk of kidney failure in patients with type 2 diabetes mellitus and chronic kidney disease, but effects on specific cardiovascular outcomes are uncertain, as are effects in people without previous cardiovascular disease (primary prevention). Methods: In CREDENCE (Canagliflozin and Renal Events in Diabetes With Established Nephropathy Clinical Evaluation), 4401 participants with type 2 diabetes mellitus and chronic kidney disease were randomly assigned to canagliflozin or placebo on a background of optimized standard of care. Results: Primary prevention participants (n=2181, 49.6%) were younger (61 versus 65 years), were more often female (37% versus 31%), and had shorter duration of diabetes mellitus (15 years versus 16 years) compared with secondary prevention participants (n=2220, 50.4%). Canagliflozin reduced the risk of major cardiovascular events overall (hazard ratio [HR], 0.80 [95% CI, 0.67-0.95]; P=0.01), with consistent reductions in both the primary (HR, 0.68 [95% CI, 0.49-0.94]) and secondary (HR, 0.85 [95% CI, 0.69-1.06]) prevention groups (P for interaction=0.25). Effects were also similar for the components of the composite including cardiovascular death (HR, 0.78 [95% CI, 0.61-1.00]), nonfatal myocardial infarction (HR, 0.81 [95% CI, 0.59-1.10]), and nonfatal stroke (HR, 0.80 [95% CI, 0.56-1.15]). The risk of the primary composite renal outcome and the composite of cardiovascular death or hospitalization for heart failure were also consistently reduced in both the primary and secondary prevention groups (P for interaction >0.5 for each outcome). Conclusions: Canagliflozin significantly reduced major cardiovascular events and kidney failure in patients with type 2 diabetes mellitus and chronic kidney disease, including in participants who did not have previous cardiovascular disease