Senzory vodíku na bázi oxidu wolframu připravené pokročilými metodami reaktivního magnetronového naprašování

Abstract

Tato disertační práce se zabývá výzkumem a vývojem nových materiálů pro přípravu a následné testování tenkovrstvých senzorů vodíku. Tenké vrstvy na bázi oxidu wolframu byly kombinovány s dalšími materiály za účelem zlepšení senzorického chování materiálu. Práce obsahuje obecný úvod popisující základní principy senzorů na bázi oxidu wolframu. Dále je uveden přehled strategií, kterými je možné vylepšovat základní senzorické vlastnosti oxidického materiálu. Několik z těchto strategií bylo použito a je podrobně popsáno v jednotlivých kapitolách. Samostatná kapitola je rovněž věnována přehledu depozičních technik, které byly použity pro přípravu zkoumaných materiálů. Zároveň je v této kapitole popsána metodika testování připravených senzorů, která byla během řešení práce dále zdokonalena. První uplatněnou strategií pro zlepšení senzorického chování vrstev oxidu wolframu je kombinace vrstev s nanostrukturami oxidu měďnatého. Konkrétně se jedná o nanočástice CuO deponované pomocí zdroje klastrů založeného na agregaci plynů (GAS). Tyto nanočástice byly deponovány na povrch wolframoxidové (WO3) vrstvy a následně byl zkoumán vliv různého množství nanočástic CuO na senzorické vlastnosti. S rostoucí hustotou nanoklastrů na povrchu vrstvy WO3 se výrazně zvýšila senzorická odezva, což je vysvětleno vznikem nano-PN přechodů na rozhraní CuO/WO3. V rámci druhé strategie byla studována tvorba nanoostrůvků CuWO4 na souvislé vrstvě oxidu wolframu pomocí dvoustupňového procesu depozice. Substechiometrický oxid wolframu (WO3-x) byl deponován reaktivním DC magnetronovým naprašováním a následně byla nanesena vrstva CuO pomocí RF naprašování. Tento postup vedl k vytvoření strukturovaného CuWO4. Následně byla testována citlivost systému CuWO4/WO3-x na plynný vodík. Senzorická odezva této kombinace byla mnohem vyšší než u samostatných vrstev CuO či WO3-x. V tomto případě stojí za zlepšením odezvy vznik NN heteropřechodů mezi CuWO4 a WO3-x. V navazující kapitole jsou popsány výsledky studie, kdy bylo zaměněno pořadí depozičních procesů pro vrstvy CuO a WO3-x a je zde zkoumán výsledný systém CuWO4/CuO. Z výsledků vyplývá, že trend odezvy na plynný vodík je podobný jako u systému CuWO4/WO3-x, nicméně zde byla odezva navíc studována v syntetickém vzduchu s proměnnou vlhkostí. Bylo potvrzeno, že ve vlhkém vzduchu se odezva dramaticky snižuje. Pro korekci vlivu vlhkosti byly dvojvrstvy CuWO4/CuO doplněny tenkými vrstvami paladia nanesenými pomocí RF naprašování. Při následné stabilizaci při teplotě 200 °C se deponované paladium přemění jednak na nanočástice a jednak na ostrůvky oxidu paladia. Díky této komplexní struktuře je senzorická odezva u vícevrstev PdO/CuWO4/CuO vyrovnaná v suchém i vlhkém vzduchu, navíc systém pracuje při nižší teplotě. V poslední popsané a uplatněné strategii byla struktura a složení vrstev WO3-x zkoumány v závislosti na změně depozičních parametrů metodou reaktivního HiPIMS (vysokovýkonová pulzní magnetronová depozice). Byl zkoumán vliv změny parciálního tlaku kyslíku, délky napěťového pulsu a průměrné hustoty výkonu. Experimenty byly doplněny o model plazmového výboje, který umožnil lepší pochopení vlivu parametrů výboje na strukturu a složení (stechiometrii) WO3-x vrstev. Různá stechiometrie, tedy množství kyslíkových vakancí, se ukázala jako významný parametr ovlivňující senzorickou odezvu, přičemž množství vakancí bylo možné řídit změnou délky napěťového pulsu. Nadto bylo prokázáno, že krystalická struktura ovlivňuje citlivost vrstev. Konkrétně u monoklinické fáze je odezva lepší než u ostatních připravených krystalických fází.