Reaktif DC magnetron sıçratma tekniği ile üretilmiş vanadyum oksit ince filmlerin gaz sensör özelliklerinin incelenmesi
Investigation of gas sensor properties of vanadium oxide thin films grown by reactive DC magnetron sputtering technique
Yazar: SEMİH İNCEÇAM
Danışman: PROF. DR. SELİM ACAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, reaktif DC magnetron sıçratma yöntemiyle üretilen vanadyum oksit sensör malzemesinin tavlama sıcaklığının değişimine bağlı olarak yapısal ve gaz algılama performansıdaki değişimler incelendi. Vanadyum oksit (VOx) ince filmler reaktif DC Magnetron sıçratma metodu ile silisyum alttaşlar üzerine büyütüldü. Üretilen ince filmler 100℃ ile 550℃ aralığında 11 farklı sıcaklıkta hava ortamında 1 saat süreyle tavlandı. Üretilen sensörlerin yapısal ve morfolojik özellikleri X-ışını kırınım cihazı (XRD), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskopu (FESEM) ile incelendi. X-ışını kırınım desenlerinden, nispeten düşük tavlama sıcaklıklarında tavlanan filmlerin amorf yapıda iken 300℃ ve daha yüksek sıcaklıklarda tavlanan filmlerin kristal yapıda oluştuğu belirlendi. X-ışını kırınım desenlerinden Scherrer yöntemi, Williamson-Hall yöntemi ve Halder-Wagner yöntemiyle kristalit boyutları ve içsel gerilmeler hesaplanarak karşılaştırıldı. FESEM görüntülerinden tavlama sıcaklığına bağlı olarak üretilerin ince filmlerin morfolojik özelliklerinin değiştiği gözlendi. Üretilen yapıların gaz sensörü olarak optimal çalışma sıcaklığının belirlenmesi için 27-287℃ (300-560K) sıcaklık aralığında gaz algılama ölçümleri 50 ppm amonyak gazı (NH3) için yapıldı. Farklı sıcaklıklarda tavlanan sensörlerin farklı optimal çalışma sıcaklıklarına sahip olduğu görüldü. Tüm sensörler içerisinde üretim sonrası 480℃ sıcaklıkta tavlanmış olan ince film 207℃ çalışma sıcaklığında %104 duyarlılık ile en yüksek değeri gösterdi. Bununla birlikte bazı sensörler 67℃ gibi oda sıcaklığına yakın bir optimal çalışma sıcaklığında literatürle kıyaslanabilecek düzeyde duyarlılık verdi.

Abstract:
In this study, depending on the alteration in annealing temperature of the vanadium oxide sensor material, produced by the reactive DC magnetron sputtering method, the changes in the structural and gas detection performance were investigated. Vanadium oxide thin films were grown on silicon substrates by reactive DC Magnetron sputtering method. The thin films produced were annealed for 1 hour in air at 11 different temperatures between 100°C and 550°C. Structural and morphological features of the produced thin films were examined with X-ray diffraction device (XRD), field emission scanning electron microscope (FESEM). From the X-ray diffraction patterns, it was determined that the films annealed at relatively low annealing temperatures were amorphous, while the thin films annealed at 300°C and higher temperatures were found to form crystalline. Crystallite dimensions and internal stresses were calculated and compared with X-ray diffraction patterns using Scherrer method, Williamson-Hall method and Halder-Wagner method. From the FESEM images, it was observed that the morphological properties of the produced films changed depending on the annealing temperature. In order to determine the optimal operating temperature of the produced structures as a gas sensor, gas detection measurements were made for 50 ppm ammonia gas (NH3) in the temperature range of 27-287°C (300-560K). It was observed that the sensors annealed at different temperatures had different optimal operating temperatures. Among all sensors, the thin film annealed at 480°C after production showed the highest value with 104% sensitivity at 207°C operating temperature. However, some sensors gave a sensitivity comparable to the literature at 67°C an optimal operating temperature close to room temperature.