Abstract The aim of this thesis is to study whether nanostructured particles of WO3 could be competitive counterparts of traditional, more bulky materials in resistive gas sensor applications. Pristine and various surface decorated derivatives of three different types of WO3 nanoparticles applied on the surface of lithographically defined Si chips were used in the work to analyse the electrical behaviour of thin films when exposed to different gas atmospheres. Nanosized particles of WO3, obtained by capillary force-induced collapse of porous anodic tungsten oxide in water, were demonstrated as a sensing medium for the detection of H2 and NO analytes. Commercially available nanoparticles of WO3 were also studied. After decorating their surface with metal/metal oxide nanoparticles (Ag, PdOx and PtOx), stable aqueous dispersions were made and used for the inkjet printing of conductive patterns on test chips. Surface decoration was found to affect substantially the gas response behaviour of the materials with the largest differences in response to H2 and NO. The third type of tungsten oxide applied consisted of hydrothermally synthesized nanowires that were also surface decorated with PdO as well as with PtOx. The nanowires were suspended in water and drop cast on test chips for gas sensing measurements. The nanowire based devices allowed ultrasensitive detection of H2 even at room temperature. The results summarized in this thesis indicate that resistive gas sensors based on nanostructured tungsten oxides are excellent alternatives to existing devices utilizing porous thick films or bulky thin films. Their high sensitivity, low operating temperature and low electrical power consumption may enable the construction of portable sensors, for example by inkjet printing, thus having great potential for fast prototyping but also for large scale production at low cost. / Tiivistelmä Väitöstyön tavoitteena on tutkia nanorakenteisten WO3 hiukkasten kilpailukykyä suhteessa perinteisiin suuremman kidekoon materiaaleihin resistiivisissä kaasusensorisovelluksissa. Työssä tutkittiin kolmella eri tekniikalla valmistettujen WO3 nanopartikkeleiden alkuperäisistä ja pintakäsitellyistä versioista muodostettujen ohutkalvojen sähköisiä ominaisuuksia erilaisten kaasukehien funktiona. Veden kapillaarivoimien aikaan saaman huokoisen anodisen volframioksidirakenteen romahduksen kautta saatujen WO3 nanopartikkeleiden osoitettiin toimivan havaintoväliaineena H2 ja NO kaasuille. Myös kaupallisia WO3 nanopartikkeleita tutkittiin. Partikkelien pinta päällystettiin metalli- ja metallioksidinanopartikkeleilla (Ag, PdOx and PtOx), jonka jälkeen niistä muodostettiin vakaita vesipohjaisia seoksia johtavien kuvioiden mustesuihkutulostukseen testisubstraateille. Pintakäsittelyn havaittiin vaikuttavan merkittävästi materiaalien kaasuvasteisiin erityisesti H2:n ja NO:n tapauksessa. Kolmannen tyyppinen väitöskirjassa tutkittu volframioksidimateriaali koostuu hydrotermisesti syntetisoiduista nanojohdoista, jotka ovat pintakäsitelty PdO tai PtOx nanopartikkeleilla. Nanojohdot sekoitettiin veteen ja pipetoitiin testisubstraateille kaasumittauksia varten. Tämän tyyppiset kaasusensorit olivat erityisen herkkiä H2 kaasulle jopa huoneenlämmössä. Väistökirjan tulosten mukaan nanorakenteiset volframioksidimateriaalit ovat erinomainen vaihtoehto perinteisille huokoisille paksukalvoille ja suhteellisen paksuille ohutkalvoille kaasusensorisovelluksissa. Niiden suuri herkkyys, alhainen toimintalämpötila ja matala sähkönkulutus voivat mahdollistaa kannettavien kaasusensorien valmistuksen, esimerkiksi mustesuihkuteknologilla, nopeaan testaukseen ja suuren mittakaavan tuotantoon alhaisin kustannuksin.

Abstract Carbon nanotubes (CNTs) have fascinating mechanical, electrical and thermal properties, all of which significantly depend on structural properties such as nanotube length, number of walls, lattice defect densities, impurities and surface functional groups. A number of different applications of carbon nanotubes have been demonstrated during the past two decades including electrical interconnects, transistors, heating and cooling devices, sensors and various actuators. However, further studies on the structure-dependent properties and innovative handling techniques of these materials are needed in order to explore the limitations of use and to be able fully to exploit the advantageous properties of such one-dimensional sp2 hybridized carbon nanomaterials. In this thesis, random networks of single-wall and multi-walled carbon nanotubes (SWCNTs and MWCNTs, respectively) and aligned films of multi-walled carbon nanotubes are studied in the context of three main application fields: gas sensing, electrical interconnects/electrodes and thermal cooling elements. Analyses of associated material properties and some feasible integration techniques are discussed. Single-wall and multi-walled carbon nanotube films cast from aqueous dispersions are shown to be selective nitric oxide sensing components in Taguchi-type sensor devices, in which films based on SWCNTs outperformed those made of MWCNTs. The thickness dependent electrical conduction mechanism of inkjet-printed SWCNT films is also discussed. Robust aligned MWCNT films are demonstrated as soft electrical contact brushes in DC motors and in other moving electrical contacts. The thermal properties of freestanding aligned MWCNT forests are analyzed and shown to be potential alternatives to copper or aluminium in the thermal management of electrical components. / Tiivistelmä Hiilinanoputkien kiehtovat mekaaniset, sähköiset ja lämmönjohto-ominaisuudet ovat kiinnostaneet tutkijoita suuresti viimeisten kahden vuosikymmenen ajan. Monia erilaisia applikaatioita on demonstroitu tänä aikana: mukaan lukien sähköiset kontaktit, transistori-rakenteet, lämmitys- ja jäähdytyslaitteet, anturirakenteet sekä erilaiset aktuaattori-rakenteet. Tämän väitöskirjan päätavoitteena on tutkia hiilinanoputkien toiminnollisuutta ja käytännöllisyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tässä työssä käytettävät hiilinanoputkirakenteet ovat joko satunnaisjärjestyksessä olevia nanoputkista koostuvia verkostorakenteita tai yhdensuuntaisia, makroskooppisia hiilinanoputkikalvoja. Nanoputkia tutkitaan kolmessa erityyppisessä sovelluskohteessa: kaasuanturisovelluksessa, sähköisissä kontaktirakenteissa sekä jäähdytyselementteinä. Työssä analysoidaan hiilinanoputkirakenteiden ominaisuuksia eri sovelluskohteissa sekä esitetään joitain käyttökelpoisia tekniikoita hiilinanoputkien integroimiseen olemassa oleviin tekniikoihin. Hiilinanoputkien osoitetaan olevan käyttökelpoisia aktiivisia materiaaleja typpioksidille resistiivisessä kaasuanturirakenteessa. Tulosten perusteella yksiseinämäiset hiilinanoputket ovat moniseinämäisiä herkempiä ja parempia kyseisessä sovelluksessa. Lisäksi tutkitaan ja analysoidaan mustesuihku-tulostettujen yksiseinämäisten hiilinanoputkifilmien sähköisten ominaisuuksien riippuvuutta filmin paksuudesta. Vantterien yhdensuuntaisten moniseinämäisten hiilinanoputkirakenteiden osoitetaan toimivan erinomaisesti pehmeinä sähköisinä kontaktielementteinä liikkuvissa sähköisissä kontakteissa. Vapaasti seisovien yhdensuuntaisten, moniseinämäisten hiilinanoputkirakenteiden lämmönjohto-ominaisuuksien tutkiminen ja analysointi osoittaa, että kyseisiä rakenteita voidaan käyttää tehokkaina jäähdytyselementteinä ja mahdollisesti korvaavana vaihtoehtona alumiinille ja kuparille sähköisten komponenttien lämmönhallinta sovelluksissa.