ZnO temelli yarıiletken sensörlerin üretimi ve gaz algılama özelliklerinin incelenmesi
Fabrication of ZnO-based semiconductor sensors and investigation of their gas sensing properties
Yazar: AHMAD AJJAQ
Danışman: PROF. DR. SELİM ACAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Amonyak (NH3), kararlılığı, taşınabilirliği ve yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak sentezlenme potansiyeli nedeniyle hidrojen üretimi ve depolanması için cazip bir seçenektir. Ancak NH3'ün tespiti büyük önem taşır çünkü zehirli ve yanıcıdır. Yeterince izlenmediği takdirde ciddi riskler oluşturabilir. ZnO kimyasal dirençli sensörler, gerçek zamanlı NH3 izleme konusunda umut vaat etmektedir; ancak temel kararsızlıklar ile sıcaklık, nem ve girişim gazları gibi çevresel faktörlere duyarlılık gibi rapor edilen sınırlamalar nedeniyle bu alandaki araştırma ve geliştirmeler devam etmektedir. Bu çalışmada ZnO temelli yarıiletken metal oksit sensörlerin performansını artırmak için bir yaklaşım önerildi. Hem kimyasal öncül türlerinin hem de La katkı oranının üretilen filmlerin gaz algılama performansı üzerindeki etkisi araştırıldı. Asetat ve nitrat kimyasal tuzları kullanarak, daldırma kaplama ve hidrotermal yöntemleri içeren iki aşamalı bir işlemle tek boyutlu (1D) nanoyapılı saf ve La (%1, 3, 5 ve 7) katkılı ZnO filmleri seri halinde sistematik olarak sentezlendi. La gibi büyük nadir toprak iyonlarının ZnO kafesine dahil edilmesi zordur ve gaz algılama reaksiyonlarını etkileyen yüzey kusurları yaratabilir. Asetat tuzları ile üretilen La katkılı sensörlerin gaz algılama performansında bir iyileşme görülürken bunun aksine nitrat tuzları ile üretilen La katkılı sensörlerin performansında ise saf olana kıyasla bir düşüş görüldü. Üretilen sensörler arasında, asetat öncülünden sentezlenen ağırlıkça %3 La katkılı ZnO sensörü, nispeten düşük bir çalışma sıcaklığında (150℃) 50 ppm NH3'e karşı yaklaşık 91 ile en yüksek duyarlılık sergiledi. Bu sensör, aynı zamanda mükemmel taban çizgisi kararlılık, yüksek kısa vadeli ve uzun vadeli tutarlılık, iyi seçicilik ve %70'e kadar neme karşı güçlü tolerans gösterdi. Bununla birlikte sıcaklığa bağlı gaz algılama ölçümleri esnasında kritik bir sıcaklıkta anomali olarak tüm sensörlerde ortaya çıkan p-n geçişi hem Hall etkisi ölçümleri hem de AC empedans ölçümleriyle doğrulandı. Son olarak, gaz sensörlerinin performansının değerlendirmesini yapabilmek ve sensörlerin ideal davranıştan sapmalarına göre derecelendirilmesini kolaylaştırmak için gaz sensörleri alanında yeni ve güvenilir bir parametre olarak doldurma faktörü (FFaqar) kavramı literatüre kazandırıldı.

Abstract:
Ammonia (NH3) is an appealing option for hydrogen production and storage due to its stability, transportability, and potential to be synthesized using renewable energy sources. However, the detection of NH3 is crucial because it is toxic and flammable. It can pose serious risks if not adequately monitored. ZnO chemiresistive sensors have shown promise in real-time NH3 monitoring; yet, research and development in this area are ongoing due to reported limitations, like baseline instabilities and sensitivity to environmental factors including temperature, humidity, and interferent gases. In this study, an approach was proposed to improve the performance of ZnO-based semiconducting metal oxide sensors. The effect of both chemical precursor type and La doping ratio on the gas sensing performance of the produced films was investigated. Using acetate and nitrate chemical salts, one-dimensional (1D) nanostructured pure and La (1, 3, 5 and 7%) doped ZnO films were systematically synthesized in series through a two-step process involving dip coating and hydrothermal methods. Incorporating large rare earth ions, such as La, into the ZnO lattice is challenging and can create surface defects that affect gas-sensing reactions. While there was an improvement in the gas detection performance of La-doped sensors produced with acetate salts, on the contrary, there was a decline in the performance of La-doped sensors produced with nitrate salts compared to their pure counterparts. Among the produced sensors, the 3 wt.% La-doped ZnO sensor synthesized by acetate precursor exhibited the highest sensitivity, approximately 91, to 50 ppm of NH3 at a relatively low operating temperature (150℃). This sensor also demonstrated excellent baseline stability, high short-term and long-term consistency, good selectivity, and strong tolerance to humidity up to 70%. Additionally, during temperature-dependent gas detection measurements, the p-n shift that appeared in all sensors as an anomaly at a critical temperature was confirmed by both Hall effect and AC impedance measurements. Finally, the concept of fill factor (FFaqar) was introduced into the literature as a new and reliable parameter field of gas sensors to evaluate the performance of gas sensors and facilitate the rating of sensors based on their deviation from ideal behavior.