Nanoméretű WO3 gáz szenzorok: a WO3 összetételének és kristályszerkezetének hatása a gázérzékelésre Kémiai és Vegyipari

31 OTDK, Kémiai és Vegyipari Szekció, Anyagtudományi és szervetlen kémiai Tagozat.

Nanoméretű WO3 gáz szenzorok: a WO3 összetételének és kristályszerkezetének hatása a gázérzékelésre

Helyezés: 3

Hallgató: Fórizs Balázs
Szak: Gyógyszervegyész-mérnök MSc, Képzés típusa: msc, Intézmény: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Kar: Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar

Témavazető: Dr. Szilágyi Imre Miklós - tudományos munkatárs, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar

Nanoméretű WO3 gáz szenzorok: a WO3 összetételének és kristályszerkezetének hatása a gázérzékelésre

A gázszenzoroknak számos fajtája létezik, pl. félvezető alapú, optikai alapú, elektrokémiai alapú, nemesfém alapú gázszenzorok. A gázszenzorok versenyében a meghatározó tényezők az érzékenység, kimutatási határ, megbízhatóság, stabilitás és az ár. Kutatásunk során félvezető, nanoméretű WO3-ot használtuk mint érzékelő anyagot. A WO3 ismert anyag a gázszenzorok világában, viszont célzottan még nem keresték a választ arra, hogy az összetétele - amely használat közben esetlegesen kis mértékben megváltozhat – és a kristályszerkezete hogyan befolyásolja az érzékelést (a jelváltozás gyorsaságát, minőségét stb.).

Kutatómunkánk során a WO3-nak a két legfontosabb kristályos módosulatát (monoklin és hexagonális) szabályozott összetétellel (oxidált/sárga színű és redukált/kék színű) állítottuk elő, és tanulmányoztuk a WO3 szerkezetének és összetételének hatását a gázérzékelésre. Az 50-100 nanométeres szemcsékből álló WO3 mintákat a hexagonális-ammónium-oxid bronz, (NH4)xWO3-y hevítésével állítottuk elő. A WO3 minták kristályszerkezetét a hevítés hőmérsékletével, az összetételét pedig hevítés atmoszférájával szabályoztuk. A minták előállítását termikus analízissel (TG/DTA-MS) követtük nyomon. A minták szerkezetét, összetételét, morfológiáját és optikai tulajdonságait por-röntgendiffrakciós (XRD), Raman, diffúz reflexiós UV-VIS, és röntgen-fotoelektron spektroszkópiai (XPS) mérésekkel, valamint pásztázó elektronmikroszkópiával (SEM) és elektrondiffrakcióval kombinált transzmissziós elektronmikroszkópiával (TEM-ED) derítettük fel. A négy fajta mintából gázszenzor „chip”-eket készítettünk, és három különböző hőmérsékleten (120 oC, 200 oC, 300 oC ), NH3 tesztgáz alkalmazásával, hét különböző koncentráción (250, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 ppm ) mértük az ellenállásukat az idő függvényében. Tanulmányoztuk a szenzorok válasz- és visszatérési idejét, valamint érzékenységét a hőmérséklet és gázkoncentráció függvényében.

Vizsgálataink során felderítettük azt az NH3 koncentrációtartományt, ahol gázszenzorok megfelelő érzékenységet mutattak. Megállapítottuk, hogy az érzékelés hőmérséklete összetett módon hat az érzékelésre: magasabb hőmérsékleten az érzékelés sebessége nem nő jelentősen, de jelnagyság szignifikánsan nagyobb lesz. A legjobb gázszenzor karakterisztikát az oxidált/sárga színű monoklin WO3 mutatta 300 °C-on. Legjelentősebb eredményünk annak kimutatása, hogy 120-200 °C között a WO3 gázszenzorok karakterisztikája úgy változott meg, mintha a WO3 félvezető típusa változott volna meg a hőmérséklet változásával. Ugyanis amikor a WO3 teljesen oxidált volt, (oxidált/sárga monoklin WO3), akkor minden hőmérsékleten n-típusú félvezető gázszenzorként viselkedett, azonban, ha a WO3 minták akár csak enyhén is redukáltak voltak, akkor 120-200 °C között megfordult az NH3 gázra adott ellenállásváltozás iránya, és olyan válasz jelet adott, mint a p-típusú félvezető szenzorok.