Etude de capteurs de gaz à base d'oxyde de tungstène (WO3) par spectroscopie d'impédance

Investigation of tungsten oxide (WO3) based sensor by impedance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Ahmed Labidi
• Direction : Khalifa Aguir, M'hamed Ali Maaref
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux et physique quantique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3 en cotutelle avec Université de Tunis El Manar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Détecteurs

Tungstène -- Composés

Ozone

Or

Palladium

Résumé

Le but de ce travail est la détermination des mécanismes de détection de capteurs de gaz à base de WO3 par spectroscopie d'impédance, sous gaz réducteurs (éthanol et acétone) et sous gaz oxydant (ozone). Cette technique est une méthode puissante pour comprendre les processus de conduction et les mécanismes d’interaction solide/gaz dans ces capteurs. Les couches minces de WO3 étudiées ont été déposées au laboratoire par les techniques de pulvérisation cathodique réactive magnétron radio-fréquence et par évaporation sous vide. Ces techniques ont permis d’avoir des couches minces, homogènes et polycristallines. Les propriétés morphologiques ont été déterminées par microscopie à force atomique (AFM). Les mesures d’impédance ont montré que l’interaction des capteurs avec l’ozone et les vapeurs organiques dépend de la morphologie de la couche sensible de WO3 et notamment de leur densité en joints de grains. Nous avons également analysé par spectroscopie d’impédance sous ozone et éthanol des capteurs dont la surface du film WO3 a été modifiée par des ajouts métalliques d’or (Au) ou de palladium (Pd). Les résultats des ces études montrent que l’ajout métallique d’Au améliore légèrement la sensibilité des capteurs à l’éthanol, que les films de WO3 soient obtenus par pulvérisation ou par évaporation. En ce qui concerne l’ozone, l’ajout d’Au semble pouvoir améliorer la sensibilité des capteurs dont le film de WO3 a été évaporé. Par contre, l’ajout de Pd rend les capteurs pratiquement insensibles aux deux types de gaz utilisés. Les résultats de ce travail de thèse ont ainsi permis de déterminer les principaux paramètres morphologiques à prendre en considérations pour l’amélioration des réponses des capteurs à base de WO3.

The aim of this work is the determination of detection mechanism for WQ3 based sensors by impedance spectroscopy, under reducing (ethanol and acetone) or oxidizing (ozone) gases. This technique is a powerful method for understanding the conduction processes and the solid/gaz interaction mechanisms of these sensors kind. The studied WOa sensitive thin layers were deposited at the laboratory by reactive radio-frequency magnetron sputtering and vacuum evaporation. These techniques permit to prepare homogeneous and polycrystalline thin layers. The morphological properties were studies by atomic force microscopy (AFM). The impedance investigation showed that the sensors interaction with ozone and organic vapors depends on the W03 sensitive layer morphology in particular of their density of grain boundaries. We have also analyzed by impedance spectroscopy the response under ozone and ethanol of W03 based sensors wherein the film surface was modified by gold (Au) or palladium (Pd) metal additive. The results of these studies showed that the Au addition improves slightly the sensitivity of the sensors toward ethanol, for the films of WO3 obtained by sputtering or evaporation. Under ozone, the Au addition seems to be able to improve the sensitivity of WC3 sensors film prepared by evaporation. For instance, the sensors became practically insensitive toward the two used gases when Pd is added. The results of this work make it possible to determine the principal morphological parameters to take into accounts for the improvement of the WO3 based sensors responses.