University of Oulu

Vanadium oxide nanostructures and thin films for gas sensor applications

Saved in:
Author: Huotari, Joni1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 4.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526219714
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-07-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 3 August 2018, at 12 noon
Tutor: Docent Jyrki Lappalainen
Professor Anita Lloyd Spetz
Professor Mauri Haataja
Reviewer: Docent Hans Högberg
Doctor Michele Penza
Opponent: Professor Albert Romano Rodriguez
Description:

Abstract

In this thesis work, crystal and phase structure, chemical composition and gas sensing properties of pulsed laser deposited vanadium oxide thin films were studied.

Pulsed laser deposition was used to manufacture vanadium oxide thin films with various crystal structures, film morphologies and phase compositions. Both the well-known vanadium pentoxide V2O5, and a totally new stable phase in a solid-state thin-film form, V7O16, was produced. The existence of these phases was proven by several different characterization methods such as, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy.

The resistive gas sensing measurements of the films with pure V2O5 composition, and mixed phase compositions of V2O5 and V7O16, showed that behaviour of the electrical response to different gases at various measurement temperatures was dependent on the phase composition of the thin films. It was proved that in certain conditions the mixed phase films show p-type semiconducting gas sensing behaviour, instead of the pure n-type behaviour of V2O5. Both types of film compositions were shown to be highly sensitive to ammonia gas, down to 40 ppb-level. The mixed phase composition showed a higher response to ammonia compared to the pure V2O5 phase; however the pure V2O5 showed better long-term stability. Both sensing layer types also showed high selectivity to ammonia in comparison to NO and CO gases. Nanostructured pure V2O5 layers were successfully deposited on commercial microheater platforms and then used as a gas sensor. The V2O5 nanostructures were proven to be very promising candidates as gas sensor material to control the Selective Catalytic Reduction process used in the reduction of NOx gas emissions.

The surface valence states of the thin film structures with various phase compositions were studied spectroscopically, and a clear connection between the valence states of the film surfaces and gas sensing properties was found. It was concluded that the pure V2O5 films also had some V4+ ions in the surface, and in the mixed phase thin films, the amount V4+ ions was already quite high, indicating a higher amount of oxygen vacancies in the thin film surface – another proof of the existence of V7O16 phase in the film composition. It is also suggested that the particular quantity of oxygen vacancies is one of the reasons for the high gas-sensing response of the thin films.

see all

Tiivistelmä

Tässä työssä tutkittiin pulssilaserkasvatettujen vanadiinioksidiohutkalvojen kide- ja faasirakenteita sekä ominaisuuksia kaasuantureina.

Vanadiinioksidiohutkalvoja, jotka omaavat erilaiset kide- ja faasirakenteet, sekä erilaiset morfologiat valmistettiin pulssilaserkasvatuksella. Tunnetun V2O5 -faasin lisäksi myös V7O16 -faasi onnistuttiin valmistamaan ensimmäistä kertaa kiinteän aineen epäorgaanisena faasina ohutkalvorakenteeseen. Näiden erilaisten faasirakenteiden olemassaolo todistettiin käyttämällä useita menetelmiä kuten röntgendiffraktiota, Raman spektroskopiaa ja röntgenfotoelektronispektroskopiaa.

Sekä ainoastaan V2O5 -faasia sisältäviä ohutkalvoja, että V2O5 ja V7O16 sekafaasirakenteen omaavia ohutkalvoja tutkittiin kaasuanturina, ja mittaustulokset osoittivat erilaisten kalvojen sähköisten kaasuanturivasteiden ominaisuuksien voimakkaan riippuvuuden kalvojen faasirakenteesta. Havaittiin myös, että sekafaasirakenne omaa tietyissä olosuhteissa p-tyyppisen puolijohteen sähkönjohtavuusmekanismin, toisin kuin puhdas V2O5-rakenne, joka on täysin n-tyyppinen. Molemmat ohutkalvotyypit todennettiin olevan erityisen herkkiä ammoniakki (NH3) kaasulle, jopa 40 miljardisosatasolle. Kalvo, jossa oli sekafaasirakenne, omasi korkeamman sähköisen kaasuvasteen kuin puhtaasta V2O5 faasista koostuva ohutkalvo, joka taas toisaalta omasi paremman stabiiliuden pidemmällä aikavälillä. Molemmat kaasuanturimateriaalit havaittiin selektiiviseksi NH3 -kaasulle verrattuna NO- ja CO-kaasuihin. Puhdas V2O5 nanorakenne onnistuttiin myös kasvattamaan kaupalliselle anturialustalle, ja käyttämään menestyksekkäästi herkkänä NH3- kaasuanturina. Lisäksi puhtaan V2O5 nanorakenteen todennettiin olevan erittäin lupaava kaasuanturimateriaali hyödynnettäväksi NOx-kaasupäästöjen vähentämiseen käytettävän SCR-katalyysiprosessin (Selective Catalytic Reduction) ohjauksessa.

Ohutkalvotyyppien pinnan sähköistä rakennetta tutkittiin röntgenspektroskopiamenetelmillä, ja selvä yhteys materiaalien pintojen valenssitilojen ja kaasuanturiominaisuuksien välillä havaittiin. Huomattiin, että myös puhdas V2O5 ohutkalvo omaa pinnallaan pienen määrän V4+ -ioneja, ja että ohutkalvossa, jossa on sekafaasirakenne, V4+ -ionien määrä on suuri, ollen yksi todiste lisää V7O16 faasin olemassaoloon kalvon rakenteessa. Tästä johtuva happivakanssien olemassaolo on yksi syy näiden ohutkalvojen korkeaan kaasuherkkyyteen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1971-4
ISBN Print: 978-952-62-1970-7
Issue: 668
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.