Metal oksit ince filmlerin saçtırma tekniği ile üretimi karakterizasyonu ve gaz sensörü uygulamalarının araştırılması
Production and characterization of metal oxide thin films by sputtering technique and investigation of gas sensor applications
Yazar: FATİH ŞENASLAN
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÇELİK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Elektrokimyasal sensörler = Electrochemical sensors ; Gaz sensörü = Gas sersor ; Heteroeklem = Heterojunction ; Hidrojen sensörü = Hydrogen sensor ; Magnezyum oksit = Magnesium oxide ; Sıçratma işlemi = Sputtering ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films ; İnce metalik filmler = Thin metallic films

Özet:
Amaç: Magnetron sputtering (saçtırma) yöntemiyle üretilen ve optimize edilen TiO2, NiO ve MgO ince filmlerden H2 gazına karşı yüksek algılama performansına sahip gaz sensörleri geliştirmektir.
Yöntem: Metal oksit formundaki TiO2, NiO ve MgO ince filmler silikon, kuvars ve cam altlıklar üzerine RF/DC saçtırma tekniği ile farklı büyütme parametrelerinde biriktirilmiştir. Metal oksit ince filmlerin yapısal ve morfolojik analizleri XRD, Micro-Raman ve SEM ile gerçekleştirilmiştir. Farklı büyütme parametrelerinde biriktirilen filmlerin kimyasal bileşim durumları XPS yöntemi ile analiz edilmiştir. Metal oksit filmlerin bağ oluşumları FT−IR analizi ile doğrulanmıştır. İnce filmlerin optik özellikleri Uv−Vis spektrofotometrisi ile belirlenmiştir. İnce filmlerin optik bant aralığı enerjisi Tauc çizim metoduna göre hesaplanmıştır. Elektriksel özellikler Hall etkisi ölçümleri ile belirlenmiştir. Filmler yapısal, morfolojik, optik ve elektriksel özelliklerine göre optimize edilmiştir. Optimize edilmiş metal oksit filmlerden farklı hetero-bağlantılı (p-n, n-p) sensörler tasarlanmıştır. Sensörlerin zamana karşı akım değişimleri altın elektrotlar ve kontaklar aracılığıyla izlenmiştir. Altın elektrotlar, metal bir gölge maskesi kullanılarak termal buharlaştırma yöntemiyle desenlenmiştir. Ardından algılayıcı film katmanları Saçtırma yöntemi ile biriktirilmiştir. Üretilen sensörlerin H2 gazına karşı sensör duyarlılık analizleri bir gaz ölçüm test cihazı ile gerçekleştirilmiştir. 
Bulgular: Saçtırma yöntemiyle üretilen metal oksit filmlerin yapısal, morfolojik, optik, elektriksel ve algılama özellikleri değişen çalışma ve oksijen kısmi basıncından önemli ölçüde etkilemiştir. Düşük çalışma basıncında biriktirilen metal oksit ince filmlerde, biriktirme hızının arttığı, kristal kalitesinin iyileştiği belirlenmiştir. Düşük oksijen kısmi basınçlarında biriktirilen filmlerde biriktirme hızı artmış ve daha sıkı bir morfoloji elde edilmiştir. Artan oksijen kısmı basıncı ile filmlerin kusur seviyesi artmıştır. Üretilen TiO2 filmler n-tipi yarı iletken, NiO filmler ise p-tipi yarıiletken özellik sergilemiştir. Metal oksit filmlerden üretilen hetero-eklemli (katmanlı) sensörler, tek katmanlı sensörlere göre H2 gazına karşı daha yüksek duyarlılık göstermiştir. N-tipi TiO2 tabanlı sensörler, p-tipi NiO tabanlı sensörlere göre daha iyi algılama performansı sergilemiştir. Algılayıcı yüzey katmanlarına uygulanan paladyum ile yüzey modifikasyonu sensörlerin duyarlılığını önemli ölçüde iyileştirmiştir. Sensör performansında filmlerin kimysal bileşim durumu, tane boyutu ve özellikle morfolojisi etkin rol oynamıştır.
Sonuç: Magnetron saçtırma yöntemi ile biriktirilen TiO2, NiO ve MgO ince filmlerden başarılı bir şekilde metal oksit yarıiletken esaslı H2 gaz senörleri üretilmiştir. Üretilen sensörler içerisinden H2 gazına karşı en yüksek duyarlılık Pd/NiO/TiO2/Kuvars sensöründen elde edilmiştir. Metal oksit filmler ile hetero-bağlantılı algılayıcı yüzey oluşturma ve paladyum ile yüzey modifikasyonu sensör performansını önemli ölçüde artırmıştır.

Anahtar Kelimeler: TiO2, NiO, MgO, metal oksit ince film, saçtırma, hetero-bağlantı, H2 gaz sensör

Abstract:
Purpose: To develop gas sensors with high sensing performance against H2 gas from TiO2, NiO and MgO thin films produced and optimized by the magnetron sputtering method.
Method: TiO2, NiO and MgO thin films in metal oxide form were deposited on silicon, quartz and glass substrates by RF/DC sputtering technique at different grow parameters. Structural and morphological analyzes of metal oxide thin films were performed by XRD, Micro-Raman and SEM. The chemical composition states of the films deposited in different grow parameters were analyzed by the XPS method. The bond formation of the metal oxide films was confirmed by FT−IR analyzes. The optical properties of the thin films were determined by Uv−Vis spectrophotometry. The the optical bandgap energy of the thin films was calculated according to the Tauc plot metod. Electrical properties were determined by Hall effect measurements. The films were optimized according to their structural, morphological, optical and electrical properties. Different heterojunction (p-n, n-p) sensors were designed from optimized metal oxide films. Current changes of the sensors against time were monitored through gold electrodes and contacts.The gold electrodes were patterned by thermal evaporation using a metal shadow mask. Then, the sensing film layers were deposited by sputtering method. Sensor sensitivity analyzes of the produced sensors against H2 gas were carried out with a gas measurement test equipment.
Findings: Structural, morphological, optical, electrical and sensing properties of metal oxide films produced by sputtering method were significantly affected by the changing working and oxygen partial pressure. It was determined that the deposition rate increased and the crystal quality improved in metal oxide thin films deposited at low working pressure. The deposition rate increased and a more compact morphology was obtained in the films deposited at low oxygen partial pressures. The defect level of the films increased with increasing oxygen partial pressure. TiO2 films exhibited n-type semiconductor properties, while NiO films exhibited p-type semiconductor properties. Heterojunction (multi-layer) sensors made of metal oxide films showed a higher sensitivity to H2 gas than single-layer sensors. N-type TiO2 based sensors showed better sensing performance than p-type NiO based sensors. Surface modification with palladium applied to the sensing film layers significantly improved the sensitivity of the sensors.The chemical composition, grain size and especially morphology of the films played an active role in the sensor performance. 
Results: Metal oxide semiconductor-based H2 gas sensors were successfully fabricated from TiO2, NiO and MgO thin films deposited by the magnetron sputtering method. Among the fabricated sensors, the highest sensitivity to H2 gas was obtained from the Pd/NiO/TIO2/Quartz sensor. Hetero-junction sensing surface formation with metal oxide films and surface modification with palladium significantly improved the sensor performance.

Keywords: TiO2, NiO, MgO, metal oxide thin film, sputtering, hetero-junction, H2 gas sensor