Nanogözenekli zeolit malzemeye dayalı yeni gaz boşalma elektronik cihazının özellikleri
Pecularities of novel gas discharge electronic device based on nanoporous zeolite material
Yazar: KIVILCIM KÖSEOĞLU
Danışman: PROF. DR. BAHTİYAR SALAMOV ; PROF. DR. SELİM ACAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Doğal zeolit = Natural zeolite ; Kilnoptilolit = Natural zeolite ; Soğuk plazma = Cold plasma

Özet:
Nanogözenekli zeolit malzeme, gaz boşalma yapısına ilk defa entegre edilerek zeolit elektrotlu düzlemsel gaz boşalma elektronik cihazında (GBEC) akım-voltaj karakteristikleri ve gaz boşalma ışık emisyonu (GBIE), atmosferik basınca kadar geniş bir basınç aralığında p (4-760 Torr), farklı elektrotlar arası mesafeler d (50-250 μm) ve zeolit katot çapları D (9-28 mm) için oda sıcaklığında ve hava ortamı mikroboşalmalarında deneysel olarak çalışıldı. Geleneksel yarıiletken katotlu cihaz atmosferik basınçta etkili çalışamadığından dolayı yarıiletken yerine geliştirilebilir ileri bir malzeme olan nanogözenekli yalıtkan zeolit kullanıldı. Sistemin etkin bir şekilde çalışması, nanogözenekleri gaz moleküllerine karşı iyi bir soğurucu olan ve Türkiye' de doğal olarak bol miktarda bulunan zeolitin kullanılması temeline dayanmaktadır. GBEC' den elde edilen akım ve GBIE' nin karşılaştırılması, düşük basınçtan atmosferik basınca kadar glow mikroboşalmalarda homojenliliğin belirlenmesi için incelendi. Zeolit katot içindeki GBIE' nin uygulanan voltaj eşik değerine ulaştığında yüzeyden geliştiği bulundu. Atmosferik basınçta homojen GBIE, hava ortamında elde edildi. Zeolit katotlu GBEC' nin gaz basıncı ve elektrik alan yeterince yüksek olduğunda geniş emisyon alanlı UV-radyasyon kaynağı olarak kullanılabileceği gösterildi. Kararlı gaz boşalmasının optimal çalışma şartları (akım-voltaj, ışıma-voltaj) belirlendi. Zeolit elektrotlu GBEC' nin ilk defa akım-iletim mekanizmaları yorumlandı. Zeolit malzemelerin özelliklerine dayalı olarak plazma-yüzey etkileşimlerinin mekanizmaları tanımlandı. Zeolitin GBEC' de kullanılmasıyla, kendi iç-yapısında bulunan nadir toprak katyonları ile gerçekleşen iyonik iletimlerine, gözeneklerinde ve gaz boşalma aralığında elektron çoğalması mümkün olduğundan elektron iletiminin de eklendiği gösterildi. GBEC' de zeolit elektroda has olan yüksek elektrik alanlara ulaştıktan sonra akımın geri besleme voltaj modunda çalıştırılmasına rağmen kendiliğinden sert artış modu gösterildi. Ayrıca zeolit katodun çap değişiminin etkiside incelendi. Atmosferik basınçta büyük çaplı zeolit katot kullanıldığında kırılma voltajının önemli derecede düştüğü gösterildi. Zeolit malzemelerin düzlemsel GBEC' de katot olarak kullanılmasıyla hem kırılma voltajını azaltması, hem de kararlı, homojen ve geniş emisyon alanlı UV-görünür bölgede ışıma vermesinden dolayı düşük güç tüketiminde çalışan mikroplazma cihazlarını geliştireceğine inanıyoruz.

Abstract:
By integrating nanoporous zeolite material to the gas discharge structure for the first time, the current-voltage characteristics and gas discharge light emission (GDLE) were experimentally studied in a wide pressure range up to atmospheric pressure p (4-760 Torr), different interelectrode distances d (50-250 μm), and diameter D of the zeolite cathode (9-28 mm) in the planar gas discharge electronic device (GDED) with zeolite electrode at room temperature and in DC air microdischarges. But, the traditional semiconductor cathode device can not operate effective at atmospheric pressure, instead of a semiconductor, a dielectric (insulator) nanoporous zeolite was used which is an improvable advanced material. The system's efficient operation is based on the use of zeolite abundant naturally in Turkey, which is a good absorber of gas molecules in their nanoporous. Comparison of current and GDLE from GDED were examined for the determination of the homogeneity by the atmospheric pressure glow microdischarges. It was found that the GDLE inside the zeolite cathode develops from the surface if the amplitude of the applied voltage reaches to given threshold. Uniform GDLE could be generated in the air media at the atmospheric pressure. It has shown that, the GDED with zeolite cathode can serve as a source of UV-radiation with a large emitting area of zeolite cathode if gas pressure and electric field are sufficiently high. Optimal operation conditions determined for stable gas discharge (current-voltage and intensity-voltage). Current transmission processes were interpreted for GDED with zeolite cathode for the first time. Plasma-surface interactions mechanisms were described based on the properties of the zeolite materials. It has been shown that electronic conduction also added to ionic conduction which is occurring rare earth cations located in zeolite inner structure because of possibly electron multiplication in pores and gas discharge distance by using zeolite in GDED. Despite the running feedback voltage mode, sharp increase of current spontaneous mode has shown after reaching the high electric field, which is specific for zeolite electrode in GDED. Additionally, effect of zeolites cathode diameter change was examined. It was shown that breakdown voltage reduces significantly at atmospheric pressure when zeolite cathode with large diameter is used. By using the zeolite materials as a cathode in planar GDED, it is believed that the zeolite will improve microplasma devices which operate in low power comsumption, because of both reducing the breakdown voltage and generating GDLE in a stable, homogeneous and large emitting area in UV-visible region.