Grafen/çinko oksit nanoçubuk hibrit yapıların oluşturulması ve elektriksel karakterizasyonu
Fabrication and electrical characterization of graphene/zinc oxi̇de nanorod hybrid structures
Yazar: MERVE EREN YAKIŞIKLIER
Danışman: PROF. DR. HİDAYET ÇETİN
Yozgat Bozok Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Hibrit yapılar = Hybrid structures

Özet:
Nanoyapılı malzemelerin geometrik boyutları değiştirilerek birleştirilmesiyle oluşturulan hibrit yapılar olağanüstü özellikler sergileyebilmektedir. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte daha kaliteli cihazlara ihtiyaç duyulmakta ve gelecekte en kritik ihtiyaçlar çoğunlukla düşük boyutlu hibrit yapılar tarafından karşılanacaktır. Bu çalışmada, oldukça hassas bir CO gazı sensörü üretmek amacıyla çinko oksit (ZnO) nanoçubuk/grafen hibrit yapısını üretmek için düşük maliyetli, kolay, hidrotermal bir yöntem kullanıldı. Nanoçubuk çapının sensör algılama üzerindeki etkisini araştırmak için, farklı çaplardaki ZnO nanoçubuklar grafen alan etkili transistör (GFET) kanalı üzerinde dikey olarak büyütüldü. Oda sıcaklığında veya oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta çalışan, yüksek performanslı, güvenilir gaz sensörleri geliştirmek, günümüzde sensör araştırmalarının önemli bir hedefidir. Bu çalışmada ZnO nanoçubuk/grafen hibrit yapısı bu talebi karşılamaktadır Sensörlerin oda sıcaklığında etkin çalışabilmesi, ekstra ısıtma enerjisine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak taşınabilir, pille çalışan daha küçük sensörlerin üretilmesine olanak sağlar.
Üretilen hibrit sensörlerin CO gazı tepkileri oda, 50°C ve 100°C çalışma sıcaklıklarında rapor edilmiştir. Ortaya çıkan hibrit sensörün, ek bir çalışma sıcaklığı gerektirmeden oda sıcaklığında bile etkili olduğu ve 3 ppm CO gazında %42'lik bir sensör tepkisi verdiği belirlenmiştir. Hibrit sensör, ölçüm odasına 3 ppm CO gazı beslendiğinde 4 saniyelik kısa bir yükselme süresine sahiptir. Oda çalışma sıcaklığında gazın ortamdan uzaklaştırılması durumunda geri kazanım süresi ise 5 s'dir. Sensör sıcaklığının artmasıyla gaz tepkileri iyileştiği gözlenmiştir. Tez çalışmasında ayrıca hibrit sensörün çalışma mekanizmasının ayrıntılarına da yer verilmiştir.

Abstract:
Hybrid structures formed by combining nanostructured materials by changing their geometric dimensions can exhibit extraordinary properties. With the development of technology, higher quality devices are needed and in the future, the most critical needs will be met mostly by low-sized hybrid structures. This study used a low-cost, facile, hydrothermal method to fabricate a zinc oxide (ZnO) nanorod/graphene hybrid structure to produce a highly sensitive CO gas sensor. ZnO nanorods of different diameters were grown vertically on a graphene field effect transistor (GFET) channel to investigate the effect of nanorod diameter on sensor sensing. Developing high-performance, reliable gas sensors that operate at or near room temperature is an important goal of sensor research today. In this study, the ZnO nanorod/graphene hybrid structure meets this demand. The ability of the sensors to operate efficiently at room temperature eliminates the need for extra heating energy, enabling the fabrication of portable, smaller battery-powered sensors.
CO gas responses of the fabricated hybrid sensors were reported at room, 50°C and 100°C operating temperatures. The resulting hybrid sensor was found to be effective even at room temperature without requiring an additional operating temperature, giving a sensor response of 42% at 3 ppm CO gas. The hybrid sensor has a short rise time of 4 seconds when 3 ppm CO gas is fed into the measurement chamber. When the gas is removed from the environment at room operating temperature, the recovery time is 5 s. It was observed that gas responses improved with increasing sensor temperature. The thesis also details the working mechanism of the hybrid sensor.