Thermally-induced microstructural evolution in nanoparticle-based CuO, WO3 and CuO–WO3 thin films for hydrogen gas sensing

Abstract

This study systematically investigates the microstructural evolution of nanoparticle-based CuO, WO3, and composite CuO–WO3 thin films induced by their post-deposition annealing. The films were reactively deposited using a magnetron-based gas aggregation technique, with the composite films consisting of alternating monolayers of CuO and WO3 nanoparticles. After deposition, the films were annealed in synthetic air at temperatures ranging from 200 to 400 °C and characterized using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. Annealing of the CuO films led to the most pronounced changes associated with a gradual enhancement of crystallinity accompanied by significant particle growth with increasing annealing temperature, while the WO3 and CuO–WO3 films were more thermally stable to crystallization and particle growth. Notably, at 400 °C, the CuO–WO3 films crystallized into a novel 𝛾-CuWO4 phase. The annealed films were further evaluated for their gas-sensing performance upon H2 exposure, and the obtained results were analysed in relation to film properties and the microstructural evolution induced by annealing.

Tato studie systematicky zkoumá mikrostrukturní změny tenkých vrstev na bázi nanočástic CuO, WO3 a kompozitních vrstev CuO–WO3 během jejich žíhání. Vrstvy byly reaktivně deponovány pomocí magnetronové plynové agregační techniky, přičemž kompozitní vrstvy se skládaly ze střídajících se monovrstev nanočástic CuO a WO3. Po depozici byly vrstvy žíhány v syntetickém vzduchu při teplotách od 200 do 400 °C a charakterizovány pomocí skenovací elektronové mikroskopie, rentgenové difrakce, Ramanovy spektroskopie a rentgenové fotoelektronové spektroskopie. Žíhání vrstev CuO vedlo k nejvýraznějším změnám spojeným s postupným zvyšováním krystalinity doprovázeným výrazným růstem nanočástic s rostoucí teplotou žíhání, zatímco vrstvy WO3 a CuO–WO3 byly teplotně stabilnější vůči krystalizaci a růstu nanočástic. Pozoruhodné je, že při teplotě 400 °C vrstvy CuO–WO3 krystalizovaly do nové fáze 𝛾-CuWO4. Žíhané vrstvy byly dále zkoumány z hlediska jejich účinnosti při detekci plynu po expozici H2 a získané výsledky byly analyzovány ve vztahu k vlastnostem vrstev a mikrostrukturnímu vývoji vyvolanému žíháním.