Grafen-ftalosiyanin kompozit yapılarının gaz sensör özelliklerinin incelenmesi
Study of the gas sensor properties of graphene-phatolociyanine composite structure
Yazar: ZAFER ŞEN
Danışman: PROF. DR. ZAFER ZİYA ÖZTÜRK
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Ftalosiyaninler = Phthalocyanines ; Gaz sensörü = Gas sersor ; Kimyasal sensör = Chemical sensor

Özet:
Bu çalışmada grafenin ftalosiyanin molekülleri ile modifiye edilerek gaz sensör özellikleri incelenmiştir. Organik molekül olarak seçilen dört farklı lutesyum ftalosiyanin molekülü ve kimyasal olarak elde edilen grafenin bu moleküller ile modifiye edilmesinden elde edilen bileşikler ve grafenin kendisi algılayıcı malzeme olarak kullanılmıştır. Transduser olarak farklı çalışma prensibine sahip IDT ( Inter Digital Transduser ) ve QCM ( Quartz Crystal Mikrobalance ) kullanılmıştır. 
Çalışmada öncelikle grafenin kendisi ile grafen kaplı IDT'nin yapısal karakterizasyonları SEM ( Scanning Electron Microscope ) ve EDX ( Energy-Dispersive X-ray spectroscopy ) görüntüleri ile yapılmıştır. Algılayıcı malzemeler damlatma ve döndürme (spin coating) teknikleri ile transduser yüzeylerine kaplanmıştır. IDT sensörlerin elektriksel karakterizasyonu I-V ölçümleri ile yapılmış ve algılayıcı malzemelerin IDT sensörlerin iletkenliklerini çeşitli oranlarda arttırdığı gösterilmiştir. Algılayıcı malzemeler yalıtkan olan IDT transduserlere kaplandığından iletkenlik özelliği kazandırarak ohmik davranış sergilemelerine neden olmuştur.
Ftalosiyanin ve bu ftalosiyaninlerin modifiye yapılarından elde edilen 9 adet IDT ve 9 adet QCM sensör oda sıcaklığında 8 farklı uçucu organik bileşiğe karşı ölçülmüştür. Yapılan IDT ölçümlerinde en iyi sonuç iki lutesyum ftalosiyanin ve bu lutesyum ftalosiyaninlerin grafen ile modifiye yapılarından üretilen sensörlerden elde edilmiştir. IDT sensörlerin analitlere verdiği tepkilerden yüzde değişim oranları, sensitivite değerleri ve LOD ( Limit of Detection ) değerleri hesaplanmıştır. QCM sensörlerde yapılan ölçümlerde hedef analitlere alınan tepkiler çok düşük olmakla birlikte genellikle lutesyum ftalosiyaninlerin tepkileri modifiye yapılara göre daha yüksek çıkmıştır. QCM sensörler içinde sensitivite ve LOD değerleri hesaplanarak TLV ( Treshold Limit Value ) değerleri ile karşılaştırılmıştır. Modifiye yapılardan elde edilen IDT sensörlerde tetrakloretilen ve asetonitril için LOD değerleri TLV değerlerinden daha küçük olarak bulunmuştur. QCM sensörlerde ise n-heptan için LOD değeri TLV'ye yakın, tetrakloretilen için LOD değeri TLV değerinden küçük olarak bulunmuştur.

Abstract:
In this work, the gas sensor properties of graphene modified with phthalocyanine molecules have been studied. Four different lutetium phthalocyanines selected as organic molecules, chemically obtained graphene modified with these phthalocyanines, and graphene itself were used as sensing material. ( Inter Digital Transduser ) and QCM ( Quartz Crystal Mikrobalance ) sensors based on different operating principles were used as transducers.
First of all, structural characterization of graphene and the graphene-coated IDT were made with SEM ( Scanning Electron Microscope ) and EDX ( Energy-Dispersive X-ray spectroscopy ). The sensing materials were coated on the transducer surfaces by drip and spin coating techniques. The electrical characterization of the IDT sensors was made with I-V measurements. It has been found that the sensing materials increase the conductivity of IDT sensors to various degrees. As the sensing materials are coated on the insulating IDT transducers, conductivity is increased and ohmic behavior is observed.
9 IDT and 9 QCM sensors with the phthalocyanines, phthalocyanine modified graphene, and graphene were measured in their responses to 8 different volatile organic compounds at room temperature. In the IDT measurements, best results were achieved with two lutetium phthalocyanine sensing materials and two phthalocyanine modified graphene structures. Percentage response rates, sensitivity values, and LOD ( Limit of Detection )  values were calculated from the responses of the IDT sensors to the analytes. Although the responses to the target analytes were very low in the QCM sensor measurements, lutetium phthalocyanines generally had higher responses than the phthalocyanine modified graphene structures. Sensitivity and LOD values of the QCM sensors were calculated and compared with TLV ( Treshold Limit Value ) values. LOD values for tetrachlorethylene and acetonitrile were found to be lower than the TLV values in the IDT results with the modified graphene structures. In QCM sensors, the LOD value for n-heptane was close to its TLV and the LOD value for tetrachlorethylene was lower than the TLV.