Publicação
Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors
| Resumo: | This work aims to present the entire production and response process of a set of multifunctional films capable of sensing temperature or relative humidity produced using the Physical Vapor Deposition, (PVD) with the assistance of the Glancing Angle Deposition technique - GLAD. In this work, two sets of thin films were prepared (chromium nitride (CrN) and chromium oxinitride (CrNxOy) grown with a zigzag like nanostructure, varying the amount of nitrogen and oxygen in order to obtain a variation in the electrical response when subjected to a variation in temperature or relative humidity. The films produced were analyzed by different characterization techniques in order to evaluate their structural, morphological and electrical properties. In order to obtain thin films with the capability to sense variations in temperature, a systematic study of the thermo-resistive effect of chromium nitride (CrNx) thin films with negative temperature coefficient of resistance (TCR) has been carried out. A systematic study of the thermoresistive effect of chromium nitride (CrNx) thin films with negative temperature coefficient of resistance (TCR) has been carried out. CrNx nanostructures were grown by reactive magnetron sputtering, with oblique angle deposition, under distinct Ar+N2 conditions. This experimental setup enables to confer a zigzag columnar morphology to the CrNx thin films and thus modify the structural, morphological and physical properties of the samples. X-ray diffraction and Scanning Electron Microscopy allowed to evaluate the evolution of the structural and morphological properties of the samples as a function of the N2 flux during the deposition. The thermoresistive response was evaluated by measuring the electrical resistivity as a function of temperature by the two-point method. The thin films with N2 flux between 4 and 8 sccm presented a negative TCR with values ranging from 9.18×10-4 ± 2.47×10-6 ºC-1 to 1.48×10-2 ± 1.74×10-5 ºC-1, respectively, and a very stable time response at a given temperature. The grain-boundary model was used to describe the experimental results and, in particular, the negative TCR values of the samples. In order to obtain thin films with relative humidity sensing capability, thin films based on chromium oxynitride (CrNxOy) were prepared with zigzag nanostructures and varying the amount of nitrogen and oxygen in order to enhance the humidity response. The obtained CrNxOy thin films show an increasing amount of oxygen as the N2+O2 mixture flux increased, leading to a transition from chromium nitride to chromium oxide. Further, a change from a BCC-Cr to a pure FCC-CrN phase is obtained as the oxygen in the sample increases. The amount of oxygen present in the composition of the coating leads to high electrical resistivity, raging from 1.27×10-6 ± 5.02×10-8 Ω.m for the sample with 16 at.% of O2 to 4.50×109 ± 4.20×107 Ω.m for the sample with 60 at.% of O2. The highest sensibility to the relative humidity (RH) variation from 40 % to 80 % was 1.87×10-2 ± 7.00×10-5 (RH%)-1. The obtained results demonstrate the potential of CrNx and of CrNxOy for sensor applications. |
|---|---|
| Autores principais: | Silva, João Paulo Carmo da |
| Assunto: | Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| Ano: | 2021 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| _version_ | 1866875519998361600 |
|---|---|
| author | Silva, João Paulo Carmo da |
| author_facet | Silva, João Paulo Carmo da |
| author_role | author |
| contributor_name_str_mv | Ferreira, Armando José Barros Correia, Daniela Universidade do Minho |
| country_str | PT |
| creators_json_txt | [{\"Person.name\":\"Silva, João Paulo Carmo da\"}] |
| datacite.contributors.contributor.contributorName.fl_str_mv | Ferreira, Armando José Barros Correia, Daniela Universidade do Minho |
| datacite.creators.creator.creatorName.fl_str_mv | Silva, João Paulo Carmo da |
| datacite.date.Accepted.fl_str_mv | 2021-01-01T00:00:00Z |
| datacite.date.available.fl_str_mv | 2022-06-01T16:45:51Z |
| datacite.date.embargoed.fl_str_mv | 2022-06-01T16:45:51Z |
| datacite.rights.fl_str_mv | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
| datacite.subjects.subject.fl_str_mv | Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| datacite.titles.title.fl_str_mv | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| dc.contributor.none.fl_str_mv | Ferreira, Armando José Barros Correia, Daniela Universidade do Minho |
| dc.creator.none.fl_str_mv | Silva, João Paulo Carmo da |
| dc.date.Accepted.fl_str_mv | 2021-01-01T00:00:00Z |
| dc.date.available.fl_str_mv | 2022-06-01T16:45:51Z |
| dc.date.embargoed.fl_str_mv | 2022-06-01T16:45:51Z |
| dc.description.none.fl_str_mv | Este trabalho visa apresentar todo o processo de produção e resposta de um conjunto de filmes finos multifuncionais com capacidade de sensorização de temperatura e/ou de humidade relativa produzidos através da técnica de deposição física em fase de vapor (Physical Vapor Deposition, PVD) com auxílio do sistema Glancing Angle Deposition - GLAD. Neste sentido, foram preparados dois conjuntos de filmes finos: filmes de nitreto de crómio (CrN) e oxinitreto de crómio (CrNxOy). Durante a preparação dos filmes nanoestruturados em ziguezague, foi variada a quantidade de oxigénio e azoto com a finalidade de se obter uma variação na resposta elétrica quando sujeitos a uma variação de temperatura ou humidade relativa. Os filmes produzidos foram sujeitos a diferentes técnicas de caracterização com o intuito de avaliar as propriedades estruturais, morfológicas e elétricas. Para os sensores de temperatura foram usados os filmes finos de CrNx, nos quais, as técnicas de difração raio-X e de microscopia eletrónica de varrimento permitiram a avaliação das propriedades estruturais e morfológicas das amostras de CrNx em função do fluxo de N2 durante a deposição. Efetuou-se um estudo sistemático do efeito termorresistivo dos filmes finos de CrNx, de modo a determinar o coeficiente de resistência de temperatura (TCR). A resposta termorresistiva foi avaliada medindo a resistividade elétrica em função da temperatura através do método de duas pontas. Os filmes finos depositados com um fluxo de N2 entre os 4 e os 8 sccm apresentaram um TCR negativo, com uma variação de 9.18×10-4 ± 2.47×10- 6 ºC-1 até 1.48×10-2 ± 1.74×10-5 ºC-1 e uma resposta elétrica estável ao longo do tempo para diferentes estágios de temperaturas. O modelo teórico de fronteira de grão foi usado para descrever os resultados experimentais obtidos. Para os sensores de humidade foram utilizados os filmes finos de CrNxOy. Os resultados obtidos demonstraram que com o aumento de oxigénio, à medida que o fluxo da mistura N2+O2 aumenta, ocorre uma transição de fase de nitreto de crómio para oxido de crómio. Ao mesmo tempo ocorre uma mudança na estrutura cristalina de cubica de corpo centrado do crómio (BCC-Cr) para uma estrutura cubica de face centrada (FCC-CrN). A quantidade de O2 presente na composição dos revestimentos faz com que exista um aumento da resistência elétrica, variando de 1.27×10-6 ± 5.02×10-8 Ω.m para a amostra com uma percentagem atómica de O2 de 16 % até 4.50×109 ± 4.20×107 Ω.m para a amostra com uma percentagem atómica de O2 de 60 %. A maior resposta do transdutor à variação de humidade relativa (RH) entre 40 % e 80 % foi de 1.87×10-2 ± 7.00×10-5 (RH%)-1 . Os resultados obtidos demonstram o potencial de CrNx e de CrNxOy para aplicações de sensorização. |
| dc.format.none.fl_str_mv | application/pdf |
| dc.identifier.none.fl_str_mv | https://hdl.handle.net/1822/78175 |
| dc.language.none.fl_str_mv | eng |
| dc.rights.cclincense.fl_str_mv | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| dc.rights.none.fl_str_mv | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
| dc.rights.rights.copyright.fl_str_mv | openAccess |
| dc.subject.none.fl_str_mv | Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| dc.title.fl_str_mv | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| dc.type.none.fl_str_mv | http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc |
| description | This work aims to present the entire production and response process of a set of multifunctional films capable of sensing temperature or relative humidity produced using the Physical Vapor Deposition, (PVD) with the assistance of the Glancing Angle Deposition technique - GLAD. In this work, two sets of thin films were prepared (chromium nitride (CrN) and chromium oxinitride (CrNxOy) grown with a zigzag like nanostructure, varying the amount of nitrogen and oxygen in order to obtain a variation in the electrical response when subjected to a variation in temperature or relative humidity. The films produced were analyzed by different characterization techniques in order to evaluate their structural, morphological and electrical properties. In order to obtain thin films with the capability to sense variations in temperature, a systematic study of the thermo-resistive effect of chromium nitride (CrNx) thin films with negative temperature coefficient of resistance (TCR) has been carried out. A systematic study of the thermoresistive effect of chromium nitride (CrNx) thin films with negative temperature coefficient of resistance (TCR) has been carried out. CrNx nanostructures were grown by reactive magnetron sputtering, with oblique angle deposition, under distinct Ar+N2 conditions. This experimental setup enables to confer a zigzag columnar morphology to the CrNx thin films and thus modify the structural, morphological and physical properties of the samples. X-ray diffraction and Scanning Electron Microscopy allowed to evaluate the evolution of the structural and morphological properties of the samples as a function of the N2 flux during the deposition. The thermoresistive response was evaluated by measuring the electrical resistivity as a function of temperature by the two-point method. The thin films with N2 flux between 4 and 8 sccm presented a negative TCR with values ranging from 9.18×10-4 ± 2.47×10-6 ºC-1 to 1.48×10-2 ± 1.74×10-5 ºC-1, respectively, and a very stable time response at a given temperature. The grain-boundary model was used to describe the experimental results and, in particular, the negative TCR values of the samples. In order to obtain thin films with relative humidity sensing capability, thin films based on chromium oxynitride (CrNxOy) were prepared with zigzag nanostructures and varying the amount of nitrogen and oxygen in order to enhance the humidity response. The obtained CrNxOy thin films show an increasing amount of oxygen as the N2+O2 mixture flux increased, leading to a transition from chromium nitride to chromium oxide. Further, a change from a BCC-Cr to a pure FCC-CrN phase is obtained as the oxygen in the sample increases. The amount of oxygen present in the composition of the coating leads to high electrical resistivity, raging from 1.27×10-6 ± 5.02×10-8 Ω.m for the sample with 16 at.% of O2 to 4.50×109 ± 4.20×107 Ω.m for the sample with 60 at.% of O2. The highest sensibility to the relative humidity (RH) variation from 40 % to 80 % was 1.87×10-2 ± 7.00×10-5 (RH%)-1. The obtained results demonstrate the potential of CrNx and of CrNxOy for sensor applications. |
| dirty | 0 |
| eu_rights_str_mv | openAccess |
| format | masterThesis |
| fulltext.url.fl_str_mv | https://prod-dspace.uminho.pt/bitstreams/baed640a-eb61-4c99-a356-e29dd455ae7c/download |
| id | rum_97fdb003d07f03eb83f5ebfe5b07fdbb |
| identifier.url.fl_str_mv | https://hdl.handle.net/1822/78175 |
| instacron_str | repositorium |
| institution | Universidade do Minho |
| instname_str | Universidade do Minho |
| language | eng |
| network_acronym_str | rum |
| network_name_str | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| oai_identifier_str | oai:repositorium.uminho.pt:1822/78175 |
| organization_str_mv | urn:organizationAcronym:repositorium |
| person_str_mv | Silva, João Paulo Carmo da |
| publishDate | 2021 |
| reponame_str | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| repository_id_str | urn:repositoryAcronym:rum |
| service_str_mv | urn:repositoryAcronym:rum |
| spelling | engengThis work aims to present the entire production and response process of a set of multifunctional films capable of sensing temperature or relative humidity produced using the Physical Vapor Deposition, (PVD) with the assistance of the Glancing Angle Deposition technique - GLAD. In this work, two sets of thin films were prepared (chromium nitride (CrN) and chromium oxinitride (CrNxOy) grown with a zigzag like nanostructure, varying the amount of nitrogen and oxygen in order to obtain a variation in the electrical response when subjected to a variation in temperature or relative humidity. The films produced were analyzed by different characterization techniques in order to evaluate their structural, morphological and electrical properties. In order to obtain thin films with the capability to sense variations in temperature, a systematic study of the thermo-resistive effect of chromium nitride (CrNx) thin films with negative temperature coefficient of resistance (TCR) has been carried out. A systematic study of the thermoresistive effect of chromium nitride (CrNx) thin films with negative temperature coefficient of resistance (TCR) has been carried out. CrNx nanostructures were grown by reactive magnetron sputtering, with oblique angle deposition, under distinct Ar+N2 conditions. This experimental setup enables to confer a zigzag columnar morphology to the CrNx thin films and thus modify the structural, morphological and physical properties of the samples. X-ray diffraction and Scanning Electron Microscopy allowed to evaluate the evolution of the structural and morphological properties of the samples as a function of the N2 flux during the deposition. The thermoresistive response was evaluated by measuring the electrical resistivity as a function of temperature by the two-point method. The thin films with N2 flux between 4 and 8 sccm presented a negative TCR with values ranging from 9.18×10-4 ± 2.47×10-6 ºC-1 to 1.48×10-2 ± 1.74×10-5 ºC-1, respectively, and a very stable time response at a given temperature. The grain-boundary model was used to describe the experimental results and, in particular, the negative TCR values of the samples. In order to obtain thin films with relative humidity sensing capability, thin films based on chromium oxynitride (CrNxOy) were prepared with zigzag nanostructures and varying the amount of nitrogen and oxygen in order to enhance the humidity response. The obtained CrNxOy thin films show an increasing amount of oxygen as the N2+O2 mixture flux increased, leading to a transition from chromium nitride to chromium oxide. Further, a change from a BCC-Cr to a pure FCC-CrN phase is obtained as the oxygen in the sample increases. The amount of oxygen present in the composition of the coating leads to high electrical resistivity, raging from 1.27×10-6 ± 5.02×10-8 Ω.m for the sample with 16 at.% of O2 to 4.50×109 ± 4.20×107 Ω.m for the sample with 60 at.% of O2. The highest sensibility to the relative humidity (RH) variation from 40 % to 80 % was 1.87×10-2 ± 7.00×10-5 (RH%)-1. The obtained results demonstrate the potential of CrNx and of CrNxOy for sensor applications.porEste trabalho visa apresentar todo o processo de produção e resposta de um conjunto de filmes finos multifuncionais com capacidade de sensorização de temperatura e/ou de humidade relativa produzidos através da técnica de deposição física em fase de vapor (Physical Vapor Deposition, PVD) com auxílio do sistema Glancing Angle Deposition - GLAD. Neste sentido, foram preparados dois conjuntos de filmes finos: filmes de nitreto de crómio (CrN) e oxinitreto de crómio (CrNxOy). Durante a preparação dos filmes nanoestruturados em ziguezague, foi variada a quantidade de oxigénio e azoto com a finalidade de se obter uma variação na resposta elétrica quando sujeitos a uma variação de temperatura ou humidade relativa. Os filmes produzidos foram sujeitos a diferentes técnicas de caracterização com o intuito de avaliar as propriedades estruturais, morfológicas e elétricas. Para os sensores de temperatura foram usados os filmes finos de CrNx, nos quais, as técnicas de difração raio-X e de microscopia eletrónica de varrimento permitiram a avaliação das propriedades estruturais e morfológicas das amostras de CrNx em função do fluxo de N2 durante a deposição. Efetuou-se um estudo sistemático do efeito termorresistivo dos filmes finos de CrNx, de modo a determinar o coeficiente de resistência de temperatura (TCR). A resposta termorresistiva foi avaliada medindo a resistividade elétrica em função da temperatura através do método de duas pontas. Os filmes finos depositados com um fluxo de N2 entre os 4 e os 8 sccm apresentaram um TCR negativo, com uma variação de 9.18×10-4 ± 2.47×10- 6 ºC-1 até 1.48×10-2 ± 1.74×10-5 ºC-1 e uma resposta elétrica estável ao longo do tempo para diferentes estágios de temperaturas. O modelo teórico de fronteira de grão foi usado para descrever os resultados experimentais obtidos. Para os sensores de humidade foram utilizados os filmes finos de CrNxOy. Os resultados obtidos demonstraram que com o aumento de oxigénio, à medida que o fluxo da mistura N2+O2 aumenta, ocorre uma transição de fase de nitreto de crómio para oxido de crómio. Ao mesmo tempo ocorre uma mudança na estrutura cristalina de cubica de corpo centrado do crómio (BCC-Cr) para uma estrutura cubica de face centrada (FCC-CrN). A quantidade de O2 presente na composição dos revestimentos faz com que exista um aumento da resistência elétrica, variando de 1.27×10-6 ± 5.02×10-8 Ω.m para a amostra com uma percentagem atómica de O2 de 16 % até 4.50×109 ± 4.20×107 Ω.m para a amostra com uma percentagem atómica de O2 de 60 %. A maior resposta do transdutor à variação de humidade relativa (RH) entre 40 % e 80 % foi de 1.87×10-2 ± 7.00×10-5 (RH%)-1 . Os resultados obtidos demonstram o potencial de CrNx e de CrNxOy para aplicações de sensorização.application/pdfporDevelopment of nanostructured thin films for humidity and temperature sensorsSilva, João Paulo Carmo daFerreira, Armando José BarrosCorreia, DanielaHostingInstitutionOrganizationalUniversidade do Minhoe-mailmailto:repositorium@usdb.uminho.ptrepositorium@usdb.uminho.ptURNurn:tid:2029909582022-06-01T16:45:51Z202120212021-01-01T00:00:00ZHandlehttps://hdl.handle.net/1822/78175http://purl.org/coar/access_right/c_abf2open accessMultifunctional hard coatingsDC sputteringTemperature coefficient of resistanceThermal propertiesTemperature sensingChromium nitrideChromium oxynitrideRelative humidityHumidity sensingRevestimentos duros multifuncionaisPulverização catódica em corrente continuaCoeficiente de resistência de temperaturaPropriedades térmicasSensorização de temperaturaNitreto de crómioOxinitreto de crómioHumidade relativaSensorização de humidade2083461 bytesliteraturehttp://purl.org/coar/resource_type/c_bdccmaster thesis2021http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2application/pdffulltexthttps://prod-dspace.uminho.pt/bitstreams/baed640a-eb61-4c99-a356-e29dd455ae7c/download |
| spellingShingle | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors Silva, João Paulo Carmo da Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| status | SINGLETON |
| subject.fl_str_mv | Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| title | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| title_full | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| title_fullStr | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| title_full_unstemmed | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| title_short | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| title_sort | Development of nanostructured thin films for humidity and temperature sensors |
| topic | Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| topic_facet | Multifunctional hard coatings DC sputtering Temperature coefficient of resistance Thermal properties Temperature sensing Chromium nitride Chromium oxynitride Relative humidity Humidity sensing Revestimentos duros multifuncionais Pulverização catódica em corrente continua Coeficiente de resistência de temperatura Propriedades térmicas Sensorização de temperatura Nitreto de crómio Oxinitreto de crómio Humidade relativa Sensorização de humidade |
| url | https://hdl.handle.net/1822/78175 |
| visible | 1 |