Le rôle de WO3 et de Fe2O3 dans l’amélioration de l'activité photocatalytique des dépôts de TiO2 a été étudié, à travers la dégradation de l'acide salicylique avec deux sources de lumière : UV et visible.Différentes procédures de couplage de semi-conducteurs ont été entreprises (imprégnation humide / mélange de semi-conducteurs à l'état solide / sol gel). Aussi différents substrats ont été testés (verre ordinaire, ITO).La spectrophotométrie UV-Visible (sans / avec sphère intégratrice), la diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage et la caractérisation électrochimique ont été réalisées afin de mieux comprendre le comportement et le rôle des semi-conducteurs chargés.Des résultats prometteurs ont été trouvés pour les photocatalyseurs préparés par imprégnation humide et par mélange solide (addition de WO3): le gap d’énergie a diminué, l'activité sous la lumière visible a augmenté en conséquence (2,5% molaire de WO3) pour le premier cas. Une amélioration de 30% sous UV (0,5% WO3) a été atteinte pour le deuxième. La méthode Sol gel améliore le recouvrement sur le substrat de verre, elle semble être appropriée pour assurer un bon contact entre les semi-conducteurs et atteindre l’effet désiré : la séparation de charges. Le photocourant a été nettement augmenté avec l’addition de 4% de WO3 (substrat ITO), en cohérence avec le potentiel de circuit ouvert diminué. Cela confirme le rôle positif de WO3 dans la séparation de charges.Les dépôts Fe2O3-TiO2 préparés par imprégnation humide présentent une activité supérieure avec la lampe blanche comparant à la lampe UV (de 1 à 2% molaire de Fe2O3), l’effet positif de l’introduction du fer a également été observé avec la méthode sol gel. Le Fer sous sa forme ionique peut jouer un rôle positif dans le piégeage de charges, mais il peut former des phases allotropiques qui peuvent être des centres de recombinaison / The role of WO3 and Fe2O3 in enhancing the photocatalytic activity of TiO2 deposits has been investigated through the oxidation of salicylic acid using UV and vis-light irradiation. Different procedures of semiconductor loading (wet impregnation/mixing semiconductors in solid form/sol gel) and deposition were undertaken. Also different substrates were tested (ordinary glass, ITO).UV-Vis spectrophotometry (without/with Integrating sphere), X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy and electrochemical characterization were done in order to better understand the behavior and the effective role of loaded semiconductors.Promising results were found for catalysts prepared by wet impregnation and mixing in solid form methods (WO3-loading): the bang gap energy decreased, activity under visible light increased consequently (at 2.5 % molar -WO3) for the first case. 30% improvement under UV (0.5 % -WO3) was reached for the second. Sol gel method enhances coverage on the glass substrate, it seems to be an appropriate method to ensure good contact between semiconductors and reach the charge separation desired effect. Enhanced photocurrent on the ITO substrate confirms the positive role of WO3 in charge separation, in coherence with open circuit potential which was found to be reduced with 4 % WO3 loading. Fe2O3-TiO2 coatings prepared by wet impregnation exhibit higher activity with white lamp comparing to UV lamp (loading from 1 to 2 % Fe2O3), also positive effect of iron introduction was observed with sol gel method. Iron under his ionic form can play positive role in trapping charge, but it can form allotropic phases which can be centers of recombination.Key words: TiO2; WO3; Fe2O3; band gap; salicylic acid; photocatalysis; sol gel

The ability to detect and quantify presence and concentration of unknown gasses is sought for applications ranging from environmental monitoring to medical analysis. Metal oxide based chemical sensing technology currently exists but the ability to provide a compositional gas breakdown reliably within a short time frame is not readily available. A very small sensor that can differentially identify the type and concentration of a gas is required. Novel methods of creating low cost and easily tuned one and two-dimensional gas sensing elements are explored. Tungsten trioxide has been thoroughly documented as an electrochromic coating, but highly sensitive WO3 elements with beam and nanowire structures have yet to be explored. Research of WO3 as a gas sensor encompasses three major components: A suitable sensing chamber with accurate analyte gas flow control and temperature control, a reliable method for WO3 deposition, and a high yield fabrication process. This thesis explores all three of these technologies. Chapter two starts with a summary of existing tungsten trioxide fabrication methods. An overview of WO3 processing follows. A comprehensive setup was designed and created to test the gas sensing response of a series of metal oxide based resistive elements through conductimetric analysis. Chapter three provides an in depth account of gas sensor test chamber design and testing. Critical test chamber aspects such as temperature control, precise gas flow control, highly efficient analyte gas switching and ease of use are presented. Chapter four outlines WO3 electrodeposition and the fabrication of beam structures for testing, while chapter five explores the templated electrodeposition of WO3 segments intercalated between gold nanowire segments. Finally, chapter six provides a summary of the research presented in this thesis as well as future directions and options available for further exploration of WO3 gas sensing elements. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and Nanosystems

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Il est couramment admis que le niveau de pollution dans l'environnement intérieur pouvait dépasser le niveau de pollution extérieur. C'est la raison pour laquelle la qualité de l'air intérieur est devenue une préoccupation sociétale importante en raison de la durée croissante que nous passons dans ces environnements. Les procédés d'oxydation avancée (POA), parmi lesquels l'oxydation photocatalytique, sont des techniques pertinentes pour la purification de l'air. En photocatalyse, les nanotubes de titane montrent un intérêt tout particulier en raison de leurs propriétés intrinsèques spécifiques de par leurstructure tubulaire. Ce matériau unidimensionnel engendre un rapport surface/volume important qui donne accès à une surface spécifique et à des capacités d'adsorption importantes, mais aussi à des propriétés de transport électronique accrues. Deux molécules modèles gazeuses ont été retenues, la méthyléthylcétone (MEC) et le sulfure de dihydrogène (H2S). Ces molécules diffèrent de par leur composition chimique (présence ou non d'hétéroatomes) et leurs propriétés physico-chimiques et reflètent différentes catégories de pollutions chimiques et olfactives. Afin d'améliorer les performances photocatalytiques des nanotubes, de TiO2 synthétisés par méthode hydrothermale, que ce soit sous illumination UV-A ou solaire, des modifications avec un autre semi-conducteur WO3 ou ZnO ont été entreprises. Les mêmes modifications ont également été réalisées sur le photocatalyseur commercial TiO2 P25 (Evonik). Une des finalités de ce travail est la corrélation des conditions de synthèse de ces matériaux avec leurs caractéristiques physico-chimiques et avec leurs propriétés photocatalytiques vis-àvis de l'élimination des deux polluants étudiés. Une approche mécanistique a également été menée.

L'équipe micro-capteurs de l'IM2NP développe des capteursde gaz dont le principe de détection est basé sur la mesure de la variationde la conductance en présence de gaz. Le matériau utilisé comme élémentsensible est l'oxyde de tungstène (WO3) en couches minces. L'objet de cettethèse est donc d'étudier la surface de WO3 dans sa reconstruction c(2x2),obtenue par clivage selon la direction [001]. Cette étude a été également suivied'une étude des lacunes par des calculs ab initio basés sur la DFT, dans lesdeux approximations LDA et GGA. Ensuite, l'dsorption de molécules de gazsimples (O3, COx, NOx) sur des surfaces plus ou moins riches en oxygènea été effectuée. Pour simuler ces systèmes, nous avons fait le choix du codeSIESTA basé sur la DFT et qui présente l'avantage de pouvoir travailler. / The team of micro sensors at IM2NP mainly focuses onthe development of gas sensors based on measurement in conductancevariation in presence of gas. The material used as sensitive element istungsten oxide (WO3) thin film. The objective of present thesis is to studythe surface properties of WO3 in its reconstruction c(2x2), obtained bycleavage along the [001] direction. This study is also followed by a gapanalysis using ab initio calculations based on DFT in both LDA andGGA approximations. Then, the adsorption of molecules of simple gases((O3, COx NOx) for these surfaces (more or less rich in oxygen), is performed.To simulate these systems, we have chosen the SIESTA code based onDFT which is used for the larger number of atoms as compared to other codes.

Les capteurs de gaz à oxydes semi-conducteurs actuels reposent souvent sur des structures peu stables dans le temps et présentent toujours une faible sélectivité aux gaz. Ainsi ce travail détaille le développement de microcapteurs de gaz dits de "nouvelle génération". Les différents éléments qui composent ce type de dispositif ont été étudiés et améliorés. En particulier, une nouvelle plateforme chauffante à résistance en platine a été développée en s'appuyant sur une simulation numérique basée sur la méthode des éléments finis. Le bon contrôle des procédés technologiques a permis la mise au point d'une filière technologique multi-capteur associant quatre cellules sur une puce. Une couche sensible de WO3 a pu être intégrée à ce dispositif et les caractérisations électriques et thermographiques ont permis de valider le fonctionnement et la très bonne stabilité de ces structures. Des tests préliminaires en ambiance gazeuse contrôlée ont permis de montrer de bonnes performances globales en termes de sensibilité et de sélectivité. Ce travail constitue une première étape encourageante pour la réalisation d'un nez électronique intégré.

<p>The work presented in this thesis concernes two sorts of nanostructures: energetic-ion-impact-induced surface tracks and gas-deposited WO₃ nanoparticles. Our aims to characterise these nanostuctures and understand the physical principles behind their formation are of general interests for basic science as well as of the field of nanotechnology.</p><p>AFM studies of irradiated organic surfaces showed that individual ion impacts generate craters, most often accompanied by raised plastically deformed regions. Crater sizes were measured as a function of ion stopping power and incidence angle on various surfaces. Observed crater volumes were converted into estimates of total sputtering yields, which in turn were correlated with data from collector experiments. The observations were compared to predictions of theoretical sputtering models. The observed plastic deformations above grazing-incidence-ion penetration paths agree with predictions of the pressure pulse model. However, closer to the ion track, evaporative sputtering can occur.</p><p>AFM images of gas-deposited WO₃ nanoparticle-films indicated the formation of agglomerates. The size distribution of the agglomerates was measured to be log-normal, <i>i.e.</i> similar to the size distribution of the gas-phase nanoparticles forming the deposit. By simulations we could relatively well reproduce this observation. The agglomerates exhibited high thermal stability below 250°C when considering their size, implying that these porous films can be useful in applications involving elevated temperatures in the 250°C range. The appearance of the nanoparticles in the tapping-mode AFM images was sensitive to the free amplitude of the oscillating tip. We could show by model calculations that the high adhesion between the tip and the sample could account for some of these observations.</p>

The work presented in this thesis concernes two sorts of nanostructures: energetic-ion-impact-induced surface tracks and gas-deposited WO3 nanoparticles. Our aims to characterise these nanostuctures and understand the physical principles behind their formation are of general interests for basic science as well as of the field of nanotechnology. AFM studies of irradiated organic surfaces showed that individual ion impacts generate craters, most often accompanied by raised plastically deformed regions. Crater sizes were measured as a function of ion stopping power and incidence angle on various surfaces. Observed crater volumes were converted into estimates of total sputtering yields, which in turn were correlated with data from collector experiments. The observations were compared to predictions of theoretical sputtering models. The observed plastic deformations above grazing-incidence-ion penetration paths agree with predictions of the pressure pulse model. However, closer to the ion track, evaporative sputtering can occur. AFM images of gas-deposited WO3 nanoparticle-films indicated the formation of agglomerates. The size distribution of the agglomerates was measured to be log-normal, i.e. similar to the size distribution of the gas-phase nanoparticles forming the deposit. By simulations we could relatively well reproduce this observation. The agglomerates exhibited high thermal stability below 250°C when considering their size, implying that these porous films can be useful in applications involving elevated temperatures in the 250°C range. The appearance of the nanoparticles in the tapping-mode AFM images was sensitive to the free amplitude of the oscillating tip. We could show by model calculations that the high adhesion between the tip and the sample could account for some of these observations.

Nous décrivons une nouvelle méthode de Chimie Douce permettant de préparer des oxydes possédant des structures ouvertes à canaux ou à feuillets par destruction à l'aide du dioxyde d'azote des ions ammoniums présents au sein de composé de départ. Un trioxyde de tungstène hexagonal a ainsi pu être préparé, permettant ensuite l'intercalation d'étain par voie organométallique.<br />La destruction des ions ammoniums a aussi mené, dans le cas de composés du cérium, à l'obtention d'oxyde de cérium finement divisé.<br />Cette méthode présente l'avantage de pouvoir être utilisée dans le cas de composés peu stables comme l'iodate d'ammonium.<br />Divers essais avec des ions alkyle-ammoniums beaucoup plus volumineux permettent aussi d'envisager l'accès à des oxydes de structures plus ouvertes.

This thesis focuses on the application of nanocrystalline transition metal oxide TiO2, WO3 and NiO thin films in new “green” building technologies. Specifically, their physicochemical properties in photocatalytic, self-cleaning and gas sensing applications are studied. There is an intimate connection between comfort issues, health, with connections to energy efficiency, leading to a need for intelligent building materials and green architecture. The importance of good indoor environment is augmented by the fact that modern man in developed countries spends some 90 % of his time inside buildings and vehicles. Poor air quality may lead to discomfort of the person inhabiting a building and in ultimately cause adverse health effects. Thin films of nanocrystalline TiO2 were prepared using reactive DC magnetron sputtering. Crystalline mesoporous films of WO3 and NiO were prepared using advanced gas deposition technique (AGD). The crystal structure, morphology, optical and chemical properties of the films were characterized by using grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), scanning electron microscopy (SEM), UV/Vis spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The photocatalytic properties and adsorption of both organic and inorganic molecules on pure and functionalized films were probed by in situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The gas sensing properties of sensors based on TiO2, WO3 and NiO were investigated by conductivity measurements and noise spectroscopy. It was found for the first time that NiO based thin film sensors can be used to detect H2S and NO2 at low temperatures – down to room temperature. Hybrid WO3 sensors functionalized with multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) were used to detect NO2, CO and NH3 gases. These hybrid gas sensors show improved recovery properties compared to unmodified WO3 sensors. TiO2 based gas sensors were able to detect low concentrations of H2S by noise spectroscopy provided that the sensors were irradiated by UV light. Furthermore we show that sulphur is photo-fixated in crystalline TiO2 films upon simultaneous SO2 gas exposure and UV irradiation. Studies of the kinetics and identity of the photo-fixated sulphur complexes show that these are formed by photo-induced reactions between oxygen and SO2 at oxygen surface vacancy sites in TiO2. The sulphur modified TiO2 films show interesting self-cleaning properties compared to the pure films. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 739