Ultraviyole ışık altında HfO2 yarıiletken numunelerinin gaz algılama özelliklerinin belirlenmesi
Determination of gas sensing properties of HfO2 based semiconductors gas sensors under uv light irradiation
Yazar: ÖZLEM BARİN
Danışman: PROF. DR. SELİM ACAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Atomik Tabaka Biriktime Metodu (ALD) ile 3,3 nm kalınlıklı HfO2 ince filmler üretildi ve üretilen numuneler 3 farklı sıcaklıkta tavlandı. Üretilen filmlerin yapısal özellikleri incelenerek tavlamanın ince filmler üzerindeki etkisi araştırıldı. Üretilen filmlerin Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve X-ışını Kırınım Cihazı (XRD) ile yüzey karakterizasyonu yapıldı. X-ışını kırınım desenlerinden, tüm filmlerin amorf yapıda oluştuğu belirlendi. Atomik Kuvvet Mikroskobu ile filmlerin üç boyutlu yüzey topografileri ve yüzey pürüzlülükleri incelendi. Tavlama sıcaklığı arttıkça yüzey pürüzlülüğünde artış olduğu gözlendi ve yüzey pürüzlülüğü değerleri tavlanmamış ince film için 0,650 olarak hesaplanırken, 500 ºC, 700 ºC ve 800 ºC'de tavlanan ince fimlerde sırasıyla 0,813, 1,082 ve 1,978 nm olarak hesaplandı. Üretilen malzemelerin gaz sensörü olarak çalışma sıcaklığının belirlenmesi için 30-250 C sıcaklık aralığında gaz algılama ölçümleri yapıldı. Numunelerin optimum çalışma sıcaklığı 200 ˚C olarak belirlendi. 200 ˚C'de farklı gaz konsantrasyonlarında gaz algılama ölçümleri yapıldı.  800 °C'de tavlanan numune  %32 duyarlılık gösterirken, sırasıyla 700 °C'de tavlanan %22, 500 °C'de tavlanan  %7, tavlanmamış numunede %5 duyarlılıklar elde edildi. Sensörlerin çalışma sıcaklığının düşürebilmesi için UV ışık altında ölçümler yapıldı. Oda sıcaklığında kabul edilebilir duyarlılıklar elde edildi. Sıcaklığa bağlı ölçümlerde 1 ppm NO2 gazına karşı duyarlılık gözlenmez iken oda sıcaklığında UV ışık altında ince filmlerde 1 ppm NO2 gaz konsantrasyonuna karşı duyarlılık gözlendi. 1 ppm NO2 gaz konsantrasyonu için 800 °C'de tavlanan numune  % 7 duyarlılık gösterirken, sırasıyla 700 °C'de tavlanan %3, 500 °C'de tavlanan % 4, tavlanmamış numunede % 1 duyarlılıklar elde edildi. 800 ºC'de tavlanan numune de maksimum performans elde edildi.

Abstract:
In this study, HfO2 thin films are produced by Atomic Layer Deposition Method (ALD) with 3,3 nm thickness and these samples are annealed at different temperatures. The surface properties of the annealed films are investigated depending on annealing temperature. Morphological and structural investigations are carried out on all samples by Atomic Force Microscopy (AFM) and X-ray diffraction (XRD) method. X-ray diffraction shows that all the films have an amorphous phase. The surface roughness is increased with increasing annealed temperature and surface roughness values are calculated as 0,650 for thin film 500 ° C, at 700 ºC and 800 C annealed thin films, 0,813, 1,082 and 1,978 respectively. These results show the topography and surface morphology are dependent on the annealing temperature which plays a crucial role during the crystalline transformation. The NO2 gas sensing properties of samples are investigated with different temperatures from 30 to 250 C for obtaining temperature with constant 30 ppm. The operating temperature of the samples is determined as 200 °C. To investigate the effect of NO2 sensing properties at 200 C, the response of samples are exposure to different NO2 gas concentrations. The response is 32 % for annealed at 800 °C, whereas it is found 22 % for annealed at 700 °C, 7 % for annealed at 500 °C and 5 % for as grown thin film towards NO2 gas. The gas sensing measurements are carried out under UV light irradiation for reducing the operating temperature. Acceptable responses are obtained at room temperature. Metal oxide gas sensor parameters such as repeatability, response and recovery time, reusable are investigated under UV light irradiation and try to explain these gas sensing parameters. There is no response obtained for 1 ppm depending on temperature, however there is an acceptable response obtained for 1 ppm under UV light irradiation. The response is 7 % for annealed at 800 °C, whereas it is found 3 % for annealed at 700 °C, 4 % for annealed at 500 °C and 1 % for as grown thin film towards 1 ppm NO2 gas.