QCM (Quartz Crystal Microbalance) tekniği ile farklı kaliksaren molekülleri ile modifiye olmuş karbon nanotüp (CNT) yapılarının karbon monoksit (CO) gaz sensörü olarak geliştirilmesi
Developing carbon monoxide (CO) sensors based on carbon nanotubes modified with various calix[4]arene molecules measured by quartz crystal microbalance
Yazar: FEVZİ SÜMER
Danışman: YRD. DOÇ. ÖMER MERMER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Renksiz ve kokusuz özelliğe sahip karbon monoksit (CO) gazı bilindiği üzere canlılar için ölümcül gazlardan birisidir. Bu yüzden bir ortamdaki CO konsantrasyonunu ölçmek son derece hayati bir durumdur. Bu tez çalışmasında kaliksaren molekülleri ile modifiye edilmiş karbon nanotüp yapılarının karbon monoksit gazına olan hassasiyeti ve seçiciliği kuartz kristal mikrobalans tekniğiile incelenmiştir.Kaliksaren yapıları kolay sentez süreçleri ve üst ve alt kenarlarından fonksiyonel hale getirilebilmeleri sayesinde sensör uygulamaları için yeni nesil algılama malzemeleridir. Kaliksaren molekülleri benzen halkalarından oluşan makrosiklik oligomer yapılarıdır. Kaliksaren malzemelerin boşluklu br yapıda olmaları bunları özellikle gaz moleküllerini ve iyonları algılamak için çok elverişli bir hale getirmektedir.Kuartz kristal mikrobalans, nanogram mertebesinde, malzemelerin gaz tutma özelliklerinin incelenebildiği bir tekniktir. Sauerbrey ilişkisine göre kristal elektrotundaki kütle değişimi, elektrodun titreşim frekansında bir kaymaya neden olur. Bu frekans farkı QCM metodu ile ölçülerek malzemenin gazla nasıl bir etkileşime girdiği ve dolayısıyla malzemenin bu gaza nasıl bir tepki verdiği belirlenir.Kuartz kristal mikrobalans metodunun kullanıldığı bu tez çalışmasında bilgisayar kontrollü gaz akış ve gaz karışım sistemi ile nanogram mertebesinde kaliksarenlerin ve modifiye edilen karbon nanotüp yapılarının CO gazını tutma özelliklerinin incelendiği bir deney sistemi tasarlanmıştır. AT-kesim QCM altın elektrotlar, kaliksarenler ile modifiye edilmiş karbon nanotüpler ile damlatma metodu kullanılarak kaplanmıştır. Hazırlanan kaliksaren-karbon nanotüp ince filmleri değişken CO konsantrasyon oranlarına maruz bırakılarak hassasiyetleri, tekrarlanabilirliği ve algılama performansları ölçülmüştür. Ayrıca yapılan sensörün seçicilik özellikleri hakkında bilgi sahibi olmak için, CO gazının yanında karbondioksit (CO2), oksijen (O2) ve kuru hava gibi diğer gazlara olan tepkileri de incelenmiştir. Oluşturulan ince filmlerin SEM görüntüleri alınarak yüzey morfolojileri belirlenmiştir. Bu sayede daha homojen ve uniform bir film elde etmek mümkün olmuştur.Literatürde ilk olarak bu tez çalışmasında karbon nanotüplerin farklı fonksiyonel gruplara sahip kaliksaren molekülleri ile modifiye edilmesi ve CO gazına karşı hassasiyetlerinin QCM metodu kullanılarak belirlenmesi gerçekleştirilmiştir. Bu tez, bu anlamda ilerideki gaz sensörü çalışmalara temel teşkil etmesi bakımından çok önemlidir.

Abstract:
Measuring the concentration level of carbon monoxide in the environment is extremely vital, because invisible and odorless carbon monoxide (CO) is one of the most toxic gas for living organisms. In this thesis, the selectivity and sensitivity of calixarene modified carbon nanotubes to the CO gas were measured by quartz crystal microbalance system.Calixarenes are promising materials for nanosensor applications because of the relatively easy synthesis process and the ability to functionalize from their upper and lower rims. Calixarenes which is formed by benzene rings are cyclic oligomers. Having cavity inside the calixarene molecules makes them a suitablecanditates for detecting gas molecules and ions. Quartz Crystal Microbalance is a powerful technique for determining the sorption properties of materials in nano scale. According to Sauerbrey relation, the mass change on quartz crystal electrode cause a certain shift in the resonant frequency of vibrating crystal oscillator. This frequency shift can be monitored by using QCM method to determine how the material would give a response to the specific gas.In this study, a computer controlled QCM system was developed for CO gas detection. Calixarene modified carbon nanotube based sensors were fabricated using drop casting method on a AT-cut QCM gold electrode. The sensitivity,reproducibility and detection performance of prepared calix mo-CNT thin films were measured under varying carbon monoxide concentrations. Addition, in order to determine the selectivity of the thin films, they were exposed to the dry air and frequency shifts were measured.. Surface morphology of these thin films were investigated by using SEM to determine the homogenity and uniformity.This is the first report in the literature to modify the CNTs with calixarene molecules having different functional grups and to determine the sensitivity of these materials to CO gas by using QCM method. he analyzing carbon monoxide sensivity of calixarene modified carbon nanotubes is a new study for literature.This thesis will guide future studies on gas sensors.