Bor katkılı çinko oksit nanoyapılı ince filmlerin üretimi ve nem algılama performanslarının incelenmesi
Production and investigation of humidity sensing performance of boron doped zinc oxide nanostructured thin films
Yazar: MARWA ALSHATER
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN ALGÜN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Nem oranı = Humidity ; Nem sensörleri = Humidity sensors

Özet:
Bu tez çalışmasında, katkısız çinko oksit (ZnO) ve farklı konsantrasyonlarda bor (B) katkılı çinko oksit (BZO) nanoyapılı ince filmler üretilmiş ve bu filmlerin nem algılama performansı üzerinde B katkı konsantrasyonunun etkisi araştırılmıştır. Çalışmada, katkısız çinko oksit (ZnO) ve B katkılı ZnO nanoparçacıkları sol-jel yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. ZnO örgü içerisindeki B katkı konsantrasyonu %1 mol, %3 mol, %4 mol, %5 mol ve %10 mol B olacak şekilde değiştirilmiştir. BZO nanoyapılı ince filmler cam alttaş üzerinde döndürerek kaplama tekniği kullanılarak üretilmiştir. Yapısal, morfolojik ve elementel analizler sırasıyla, X-ışınları kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı x-ışını spektroskopisi (EDS) ile gerçekleştirilmiştir. XRD analizine göre tüm filmler altıgen wurtzite yapıya sahiptir. ZnO örgü içerisine B katkılandığında, tercihli yönelim (002) düzleminden (101) düzlemine değişmiştir. SEM mikrografları, tüm nanoyapılı ince filmlerin nano boyutlu taneler ve kılcal-nanoporlar içeren bir yapıya sahip olduğunu ve nano boyutlu tanelerin filmlerin yüzeyinde homojen ve düzgün bir şekilde dağıldığını göstermiştir. EDS spektrumları, nanoyapılı ince filmlerdeki çinko, oksijen ve bor elementlerinin varlığını kanıtlanmıştır. Katkısız ZnO ve BZO nanoyapılı ince filmlerin bağıl nem algılama performansları, oda sıcaklığında %45–90 bağıl nem aralığında elektriksel direnç ölçümleriyle test edilmiştir. BZO nanoyapılı ince filmlerin nem algılama karakterizasyonunun, yüksek nem duyarlılığına, mükemmel kararlılığa, güvenilir ve tekrarlanabilir karaktere ve hızlı tepki ve iyileşme sürelerine sahip olduğu tespit edilmiştir. Çalışma elde edilen verilere göre, en yüksek nem duyarlılığına (438.44x) ve en hızlı yanıt (2 s) ve geri kazanım (14.2 s) sürelerine sahip olması bakımından en iyi yapının BZO5 olduğu kabul edilmiştir. Bundan dolayı, bu tez çalışması kapsamında yüksek performanslı nem sensörü için optimum B katkı konsantrasyonu %5 mol olarak değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, BZO nanoyapılı ince filmlerin, yüksek ve hızlı nem algılama performanslarından dolayı nem sensörü uygulamaları için büyük bir potansiyele sahip olduğunu açıkça ortaya koymuştur.

Abstract:
In this thesis study, undoped zinc oxide (ZnO) and boron (B) doped zinc oxide (BZO) nanostructured thin films at different concentrations were produced and the effect of B doping concentration on the humidity sensing performance of these films was investigated. In the study, undoped zinc oxide (ZnO) and B-doped ZnO nanoparticles were synthesized using the sol-gel method. B doping concentration in ZnO lattice was changed to be 1 mol%, 3 mol%, 4 mol%, 5 mol%, and 10 mol% B. BZO nanostructured thin films were produced on glass substrate using spin coating technique. Structural, morphological and elemental analyzes were performed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), respectively. According to XRD analysis, all films have a hexagonal wurtzite structure. When B doped into the ZnO lattice, the preferential orientation changed from (002) plane to (101) plane. SEM micrographs showed that all nanostructured thin films have a structure containing nano-sized grains and capillary-nanopores, and nano-sized grains are homogeneously and uniformly distributed on the surface of the films. EDS spectra have proven the presence of zinc (Zn), oxygen (O) and boron (B) elements in nanostructured thin films. The relative humidity sensing performances of undoped ZnO and BZO nanostructured thin films were tested by electrical resistance measurements in the range of 45–90% relative humidity at room temperature. The humidity sensing characterization of BZO nanostructured thin films has been found to have high humidity sensitivity, excellent stability, reliable and reproducible character, and fast response and recovery times. According to the data obtained from the study, BZO5 was accepted as the best structure in terms of having the highest humidity sensitivity (438.44x) and the fastest response (2 s) and recovery (14.2 s) times. Therefore, within the scope of this thesis, the optimum B doping concentration for the high performance humidity sensor was evaluated as 5 mol%. In conclusion, this thesis study clearly revealed that BZO nanostructured thin films have great potential for humidity sensor applications due to their high and fast humidity sensing performance.